Un nuevo tipo de agujeros negros: peludos y rodeados de anillos de partículas elementales ⚫

Por Romain Gervalle, Investigador asociado en teorías de la gravitación, Universidad de Tours & Mikhail Volkov, profesor de física, Universidad de Tours

En nuestro estudio publicado el 21 de octubre de 2024 en la revista Physical Review Letters, predecimos la existencia de un nuevo tipo de agujeros negros que estarían rodeados por anillos similares en forma a los de Saturno, pero compuestos de partículas elementales.


La teoría de la Relatividad general de Einstein predice la existencia de los agujeros negros: regiones en el espacio-tiempo donde la gravedad es tan intensa que nada, ni siquiera la luz, puede escapar de ellos. Su existencia hipotética fue formulada en 1916 cuando se obtuvieron las soluciones de las ecuaciones matemáticas de la Relatividad general que describen los agujeros negros.

Sin embargo, su existencia real fue debatida por los científicos durante casi un siglo. En 1965, los trabajos teóricos del matemático británico Roger Penrose demostraron que los agujeros negros se forman inevitablemente por el colapso gravitacional de las estrellas, y hubo que esperar hasta los años 90 para que observaciones astronómicas, realizadas por dos astrofísicos estadounidenses Reinhard Genzel y Andrea Ghez, revelaran lo que parece ser un agujero negro gigantesco en el centro de nuestra galaxia. Este descubrimiento les valió, junto con Roger Penrose, el Premio Nobel de Física en 2020.

Hoy en día, gracias a las observaciones de la colaboración internacional Event Horizon Telescope, somos capaces de discernir la sombra del agujero negro situado en el centro de la Vía Láctea.

La existencia de agujeros negros en el Universo ha sido sólidamente establecida, pero los descubrimientos no se detienen ahí. Nosotros predecimos hoy la existencia de agujeros negros de un nuevo tipo, sugeridos por el Modelo Estándar de las fuerzas fundamentales.

El origen de los agujeros negros

Hoy en día es comúnmente aceptado que los agujeros negros son omnipresentes en nuestro Universo. Generalmente se distinguen dos escenarios que explican su formación.

En primer lugar, están los agujeros negros estelares, formados por el colapso gravitacional de estrellas ordinarias al final de su vida, es decir, cuando finalmente colapsan bajo su propio peso después de consumir todo su combustible. Su masa varía típicamente de 2-3 masas solares a decenas —incluso cientos— de masas solares. Después de su formación, estos agujeros negros estelares pueden crecer absorbiendo materia circundante. También pueden fusionarse entre sí, con una importante emisión de ondas gravitacionales, cuya primera detección fue reconocida con el Premio Nobel de Física en 2017.

También es posible que algunos agujeros negros, llamados primordiales, se hayan formado por el colapso de la materia primaria durante el primer segundo después del Big Bang. La masa de estos agujeros negros primordiales puede ser gigantesca, hasta miles de millones de masas solares para los agujeros negros supermasivos situados en el centro de la mayoría de las galaxias.

Pero también puede ser pequeña, del orden de la de planetas o asteroides, concentrada en un radio de menos de un centímetro. Por lo tanto, es posible que el Universo esté salpicado de estos diminutos agujeros negros primordiales, cuya detección futura constituye un desafío importante para la astrofísica observacional. Los agujeros negros primordiales aún más ligeros deberían haberse evaporado muy rápidamente según el proceso de Hawking y no habrían sobrevivido hasta nuestros días.

Nuestros resultados sugieren que algunos de los pequeños agujeros negros primordiales que aún existen hoy en día podrían poseer una nueva propiedad: ser "peludos".

Los agujeros negros "no tienen pelo"

Los agujeros negros estelares no conservan ningún recuerdo de la estrella que colapsó para dar lugar a su formación, excepto el de su masa, su carga eléctrica (o magnética) y su velocidad de rotación. Todas las demás características de su estado inicial (por ejemplo, la composición química de la estrella) se pierden completamente durante el colapso, y todos los agujeros negros con la misma masa, la misma carga y la misma velocidad de rotación son absolutamente idénticos.

El físico estadounidense John Wheeler ilustró esta propiedad con una frase que se ha vuelto famosa: "los agujeros negros no tienen pelo", donde por "pelo" se entiende cualquier otro parámetro que no sea la masa, la carga y la velocidad de rotación.

Esta propiedad de los agujeros negros estelares está confirmada por los teoremas de unicidad, mientras que, para los agujeros negros primordiales, ha sido postulada como una conjetura, parcialmente confirmada por una serie de "teoremas de calvicie".

Y sin embargo... los inicios de los agujeros negros peludos

Entre las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza hay dos, la gravitación y el electromagnetismo, que actúan a escala macroscópica y explican la estructura de los agujeros negros estelares que son "calvos". Las otras dos fuerzas, llamadas débil y fuerte, solo actúan a escala microscópica, dentro de los átomos. ¿Pueden estas dos últimas fuerzas fundamentales influir en la estructura de los agujeros negros?

Las teorías físicas que describen estas fuerzas son bastante complicadas de estudiar, y es por eso que los físicos se han centrado primero en modelos teóricos simplificados. Es gracias a estos modelos simplificados que se han descubierto los agujeros negros llamados peludos, es decir, rodeados de una capa de materia intrínsecamente ligada a ellos y, por lo tanto, caracterizados por parámetros adicionales (además de la masa, la carga y la velocidad de rotación) que permiten distinguirlos entre sí.

Desde su primer descubrimiento en 1989, se han encontrado muchos ejemplos de agujeros negros peludos por parte de los físicos teóricos, pero siempre en el marco de teorías simplificadas o, por el contrario, extremadamente especulativas. Tales agujeros negros existen en el papel como soluciones de ecuaciones matemáticas, pero nada permite afirmar que existan realmente en nuestro Universo.

Agujeros negros con "pelo electrodébil"

En nuestro estudio, hemos considerado la unificación de tres teorías exactas, no simplificadas y confirmadas experimentalmente, que reúnen tres de las cuatro fuerzas fundamentales: la gravitación, el electromagnetismo y la fuerza nuclear débil (las dos últimas forman juntas la fuerza electrodébil).

Las soluciones que hemos obtenido al resolver las ecuaciones de estas teorías combinadas describen agujeros negros cargados magnéticamente y rodeados de un "pelo" en forma de anillos.

Estos anillos están compuestos de partículas elementales (más precisamente, bosones W, Z y de Higgs), en forma de un condensado de Bose-Einstein —un estado particular de la materia que aparece en ciertas situaciones. En el laboratorio, se ha observado para átomos fríos atrapados gracias a láseres (lo que valió un Premio Nobel en 2001 a sus descubridores).

En nuestro caso, es el campo magnético intenso del agujero negro cargado el que produce el condensado electrodébil, y como este último también está cargado magnéticamente, es repelido del agujero negro por la fuerza magnética y, por lo tanto, no cae en su interior. Sin embargo, tampoco es expulsado más lejos, ya que es atraído hacia el agujero negro por la fuerza gravitacional. Por lo tanto, permanece atrapado en el exterior del agujero negro.

Nuestros agujeros negros con anillos, de un nuevo tipo, pueden ser de tamaño macroscópico, de aproximadamente un centímetro, mientras que las partículas elementales que componen sus anillos aparecen normalmente a escala de lo infinitamente pequeño.

Como estos agujeros negros están descritos por teorías confirmadas experimentalmente, esto sugiere fuertemente que existen no solo como soluciones matemáticas, sino también como objetos reales en el Universo.

¿Podríamos detectar estos agujeros negros?

Está claro que estos agujeros negros peludos no podrían formarse hoy en día. Sin embargo, las condiciones favorables para su formación podrían haberse encontrado en los primeros instantes del Universo, en el plasma primordial extremadamente denso y fluctuante. Por lo tanto, se trataría de agujeros negros primordiales.

Es importante señalar que estos agujeros negros son estables, ya que la presencia de los anillos disminuye la masa del agujero negro, por lo que deshacerse de ellos sería energéticamente desfavorable. Por lo tanto, podrían sobrevivir hasta nuestros días y formar parte de la materia oscura, esta sustancia cuya naturaleza exacta sigue siendo desconocida hasta la fecha y que solo se detecta por su influencia gravitacional.

Estos agujeros negros peludos podrían ser detectados por su interacción con estrellas de neutrones en rotación (púlsares), ya que si son absorbidos por una de ellas (lo que puede ocurrir porque son mucho más pequeños y ligeros), entonces la estrella continúa existiendo con el agujero negro en su interior, pero esto debe cambiar bruscamente su período de rotación, lo que podría ser detectable.