¿Agujeros negros creados por el bosón de Higgs deambulando por el Sistema Solar? Pues eso parece, o al menos así lo apunta un nuevo estudio. Y no, no son agujeros negros creados en el acelerador de partículas LHC, son agujeros negros creados en los orígenes del Universo, tras el Big Bang.

Y es que de acuerdo a una nueva publicación liderada por Juan García-Bellido, investigador del Instituto de Física Teórica de la Universidad Autónoma de Madrid, la materia oscura podría estar formada por agujeros negros primordiales creados en los orígenes del Universo, y todo ello debido a fluctuaciones cuánticas del bosón de Higgs. Suena a chino, ¿verdad? ¡Pues aquí te lo vamos a explicar de la mano de este investigador!

Todo debió ocurrir hace mucho tiempo…

De acuerdo a la teoría de la inflación cósmica, propuesta por el físico teórico Alan Guth a principios de los años 80, el Universo habría sufrido un periodo de expansión exponencial poco después de su nacimiento. Para hacernos una idea, exponencial en este contexto significa que el Universo habría crecido hasta aproximadamente un factor 100000000000000000000000000 veces su tamaño al comienzo de inflación en un tiempo de 0.000000000000000000000000000000001 segundos. Puedes intentar hacerte una imagen mental la próxima vez que hinches un globo.

Diagrama esquemático de la expansión del Universo. En la parte izquierda del esquema podemos ver la época inflacionaria en la cual el Universo aumento su tamaño exponencialmente.

“La inflación cósmica es una teoría necesaria para entender la homogeneidad del Universo, es decir, como está distribuida la materia, y porque éste es esencialmente plano,” nos explica García-Bellido para REWISOR. “Esta teoría tiene una propiedad especial, y es que predice fluctuaciones, concretamente fluctuaciones cuánticas que se convierten en clásicas. Estas fluctuaciones modifican la densidad de energía y habrían dado lugar a las minúsculas diferencias de temperatura que vemos en el fondo cósmico de microondas (CMB),” añade.

A día de hoy, todas las observaciones concuerdan con la idea de que el Universo habría sufrido un estadio inflacionario, sin embargo, aún falta una pieza clave para su confirmación. “Las ondas gravitacionales generadas durante inflación dejarían un patrón característico en el CMB que esperamos sea descubierto durante la próxima década.”

Representación en detalle del patrón (rayas negras) que dejarían las ondas gravitacionales sobre el CMB. Crédito: Ely Kovetz/Johns Hopkins University

¿Qué pudo generar la inflación?

De forma genérica, denominamos inflatón a una partícula con unas determinadas características cuya densidad de energía pudo ser la responsable de esta expansión acelerada. Pero, ¿y si ya hubieramos descubierto el inflatón? En este nuevo estudio, se ha dotado de tales honores al famoso bosón de Higgs.

“Sabemos que el Higgs determina la inercia, o masa, de las partículas en el Universo actual. En el pasado, de la misma forma, el campo de Higgs podría haber transmitido esa inercia al Universo,” comenta García-Bellido. “Lo novedoso de nuestro estudio es haber dotado al Higgs de lo que se conoce como un acoplo no mínimo a la Gravedad, para entendernos, esto es lo que no aparece en las tazas de CERN.”

Taza del CERN. En ella se representa el Modelo Estándar de física de partículas…pero ahí el Higgs no se acopla a Gravedad. Crédito: CERN

Sin embargo, el hecho de que el Higgs se acople, o lo que es lo mismo, interaccione de esta manera con la Gravedad no puede ser testado en el LHC, ya que estos efectos son ridículamente pequeños. Por lo tanto, se tienen que encontrar unas condiciones muy especiales para poder ver estos efectos. “Remontandonos a inflación podríamos testar este acoplo. En este artículo hemos demostrado que, si éste existe, y es de hecho natural que lo haga, podríamos explicar la amplitud de las fluctuaciones del CMB,” comenta García-Bellido.

Las fluctuaciones cuánticas del Higgs producirían agujeros negros

Antes de continuar dejarme que os introduzca el concepto de horizonte. Para ello podemos poner de ejemplo la Tierra, nuestro planeta, ya que el concepto de horizonte ha de relacionarse con un observador dado, y en este ejemplo seremos nosotros. Pues bien, denominamos horizonte a la distancia que puede recorrer la luz (en cualquier dirección) desde el observador, en nuestro caso nosotros, en el tiempo de vida del Universo. El horizonte define lo que podemos llamar aquí en la Tierra, Universo observable, nada fuera de este horizonte podrá ser visto.

Horizonte de la Tierra (punto azul) representado por la línea punteada azul. Los observadores A y B están en el límite de su horizonte, pero hay regiones de sus respectivos horizontes que estarían fuera del horizonte de la Tierra. Esas regiones jamás podrán ser observadas por nosotros.

Si ahora nos remontamos a la época en la que inflación tuvo lugar, es decir, 0.0000000000000000000000000000000000001 segundos después del nacimiento del Universo, el horizonte de un observador dado sería muy muy pequeño, ya que apenas ha pasado tiempo y por lo tanto, la distancia que podría recorrer la luz en ese periodo es relativamente corta.

Por otro lado, cualquier irregularidad (fluctuación) presente en el espacio-tiempo debió ser estirada por la rápida expansión ocurrida durante inflación. De la misma manera que las arrugas de una sábana se estiran cuando tiramos de los extremos de ésta.

“Cuando el tamaño de una fluctuación se hace mayor que el tamaño de su horizonte, ésta queda congelada. Eso quiere decir que la amplitud de esa perturbación no cambiará. Cuando termina inflación y la expansión se frena, toda la materia caerá dentro de estas irregularidades como en una montaña rusa,” nos dice García-Bellido.

Representación de las fluctuaciones cuánticas microscópicas del espacio-tiempo. Estas irregularidades son las que habrían atrapado la materia tras la inflación.

“Cuando toda esta materia se comprime dentro de las irregularidades nada impedirá que formen agujeros negros primordiales. Pero en nuestro modelo, la formación de éstos es jerárquica, es decir, que se formarán agujeros negros grandes, y alrededor de ellos, se formaran otros más pequeños, y así sucesivamente.”

Para entendernos, la diferencia entre los agujeros negros primordiales y los agujeros negros sin más que estamos acostumbrados a escuchar, es que éstos últimos se forman por colapso de una estrella, no en los orígenes del Universo como los primordiales.

¡Agujeros negros por todas partes!

De acuerdo a este estudio, estos agujeros negros primordiales habrían sido creados en un número muy alto. Su distribución espacial en las galaxias, como en la nuestra, la Vía Láctea, podría explicar las observaciones que evidencian la presencia de halos de materia oscura. Algo así como que las galaxias están rodeadas de agujeros negros primordiales que explican porque las estrellas más lejanas de los centros se mueven a grandes velocidades.

Representación artística del halo de materia oscura (en azul) alrededor de nuestra galaxia. Crédito: ESO/L. Calçada

“El tamaño y la distribución de masas de estos agujeros negros es aún una incógnita. En nuestro artículo estudiamos su crecimiento hasta masas muy por debajo de la masa del Sol, pero nada impide que pudieran crecer hasta masas como la del Sol e incluso mayores. Probablemente la única manera de saber esto es a través de las ondas gravitacionales.”

Para hacernos una idea de la cantidad de agujeros negros que deambulan por aquí cerca, García-Bellido nos tranquiliza apuntando que entre el Sol y su estrella compañera más cercana (Alfa Centauri) probablemente haya un agujero negro de este tipo, con una masa aproximada a la de Marte. “Pero si las masas son menores, y pueden llegar a tener una masa como la de una montaña, podría haber muchos más por aquí cerca,” añade. ¡Esto ya no nos deja tan tranquilos!

En un futuro muy cercano se podrá poner a prueba el modelo

A día de hoy ya es posible hacer astronomía por ondas gravitacionales en experimentos como LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Una de las fuentes conocidas más habituales que producen este tipo de ondas son las compuestas por dos masas rotando una alrededor de la otra, como por ejemplo dos agujeros negros. A partir de la observación de la onda gravitacional se pueden inferir muchas características de los objetos que las producen, como por ejemplo, sus masas.

“Si LIGO detecta un agujero negro cuya masa esté por debajo de la masa del Sol, según el límite de Chandrasekhar, éste tiene que ser un agujero negro primordial. Eso sería la confirmación de que hay una nueva población de agujeros negros,” dice García-Bellido. “Ya estamos hablando con la colaboración LIGO para animarles a buscar objetos de estas características, ya que deberían detectar aproximadamente uno o dos eventos de este tipo por año.”

Según esto, estaríamos hablando de que en un año se confirmaría o descartaría esta nueva población de agujeros negros primordiales, y de esta manera se podría conectar con el problema de la materia oscura en el Universo. ¡Alucinante, no queda nada!

Solo faltaría confirmar que el bosón de Higgs es el inflatón para cerrar el circulo. “Necesitamos aproximadamente diez años para alcanzar la precisión experimental que permitiera determinar que la escala de inflación corresponde con la del Higgs. Si esto fuera así, sería muy difícil argumentar en contra de la igualdad entre el Higgs y el inflatón.”

La visión unificadora de este modelo

“El hecho de que la materia oscura (agujeros negros primordiales) pueda provenir de fluctuaciones cuánticas del Higgs me parece enormemente bello. Es decir, en nuestro modelo hemos colapsado materia ordinaria que ha acabado dando lugar a la materia oscura, sin requerir de nuevas añadiduras al modelo,” finaliza García-Bellido.

Uno de los puntos fuertes de este nuevo estudio es que conecta, o como los físicos decimos, unifica, varios misterios de la física moderna. Sin necesidad de plantear la existencia de nuevos ingredientes, hace uso de lo conocido para abarcarse en la aventura de explicar satisfactoriamente lo desconocido. ¡Tendremos que estar muy atentos a los resultados de LIGO y a la posible detección de agujeros negros primordiales!