Agujeros negros más antiguos que el Big Bang: suena a locura, pero podría explicar de qué está hecho el 85% del universo

La historia cosmológica habitual comienza hace unos 13,8 mil millones de años con un Universo extremadamente caliente y denso que luego se expandió, se enfrió y se llenó gradualmente de galaxias. Nuevo modelo propone mirar más allá de ese límite. el Big Bang pudo no ser el comienzo absoluto, sino una transición desde una etapa anterior de contracción al actual estado de expansión. En tal caso, algunos agujeros negros podrían haberse formado antes de la transición, sobrevivirla y persistir hasta la época moderna.

Objetos tan antiguos podrían conservar información sobre un periodo que la cosmología estándar no describe. Esos mismos agujeros negros podrían explicar parte de la materia oscura y ayudar a entender por qué aparecieron estructuras masivas en el Universo tan pronto.

El modelo cosmológico estándar describe con éxito la radiación de fondo fósil dejada por la fase caliente temprana y la distribución de galaxias a grandes escalas. Pero al intentar remontar la historia hacia atrás, la relatividad general conduce a la singularidad del Big Bang. La densidad en ese punto tiende matemáticamente a infinito y las leyes físicas conocidas dejan de ofrecer una descripción útil de lo que ocurre.

Muchos físicos interpretan la singularidad no como una prueba de densidad realmente infinita, sino como una señal de que la teoría llegó a su límite de aplicabilidad. La cosmología con rebote propone otro escenario. Antes de la expansión actual existió un Universo anterior que se contraía y se volvía cada vez más denso.

La contracción continuaría hasta una densidad extremadamente alta, pero finita. Luego, efectos cuánticos generarían una presión lo bastante fuerte para detener el colapso. El Universo dejaría de contraerse y pasaría a expandirse. Así, en lugar de una singularidad, el modelo presenta una transición física entre dos etapas de la evolución cósmica.

El mecanismo de presión que impide que la materia se comprima sin límite ya es familiar en la física de objetos estelares densos. Los efectos cuánticos ayudan a contrarrestar la gravedad en enanas blancas y estrellas de neutrones. El nuevo modelo traslada un principio afín al Universo en su conjunto: a densidades suficientemente altas, la presión cuántica detiene la contracción global y desencadena la expansión.

Son especialmente relevantes los procesos justo antes del rebote cosmológico. Durante la contracción, regiones individuales podrían volverse tan densas que su propia gravedad las convertiría en agujeros negros. Calculan que algunos objetos compactos podrían atravesar la transición y persistir tras el inicio de la expansión.

El límite estimado es de aproximadamente 90 metros. Los objetos compactos mayores que ese tamaño podrían sobrevivir al rebote y continuar existiendo en la nueva fase del Universo. Además de agujeros negros, pueden conservarse ondas gravitacionales y heterogeneidades de densidad del estadio anterior.

Otra parte de los agujeros negros podría formarse poco después del rebote. La transición amplificó las oscilaciones de densidad, de modo que la materia temprano en el Universo se distribuyó de forma desigual. En las regiones más densas la gravedad reunió materia más rápido, lo que facilitó la formación temprana de agujeros negros y grandes estructuras cósmicas.

El mecanismo ayuda a explicar por qué los primeros objetos masivos pudieron aparecer antes de lo que permiten los escenarios más convencionales. Si justo después del rebote ya existían agujeros negros grandes o regiones especialmente densas, la evolución posterior no partía de una distribución casi homogénea de materia. Las galaxias disponían de centros gravitacionales preexistentes alrededor de los cuales la materia pudo agruparse con mayor rapidez.

El rebote cosmológico aborda al mismo tiempo el problema de la inflación. Así se denomina la etapa extremadamente breve de expansión acelerada del Universo temprano. La inflación explica por qué enormes regiones del cosmos son tan homogéneas y por qué zonas distantes presentan propiedades muy similares a pesar de estar hoy separadas por distancias colosales.

En el nuevo modelo, la transición de contracción a expansión puede reproducir la dinámica habitualmente asociada a la inflación. Los procesos cuánticos durante el rebote también pueden generar y amplificar las inhomogeneidades iniciales. Más tarde, la gravedad convierte esas pequeñas variaciones de densidad en galaxias, cúmulos y otras grandes estructuras.

Los autores del modelo vinculan el mismo mecanismo con otro problema sin resolver: la expansión acelerada del Universo actual. Las observaciones muestran que la expansión cósmica se acelera con el tiempo. El modelo estándar explica esa aceleración mediante la energía oscura, pero la naturaleza física de la energía oscura sigue siendo desconocida. El modelo de rebote permite una descripción física unificada de procesos relacionados con la aceleración temprana y la actual.

La consecuencia más notable concierne a la materia oscura. La materia ordinaria, de la que están hechas las estrellas, los planetas y el gas interestelar, es aproximadamente cinco veces menos abundante que la materia oscura. La materia oscura no emite ni absorbe luz en formas accesibles a la observación directa, pero su presencia se revela por la gravedad. Sin masa invisible adicional es difícil explicar el movimiento de estrellas en las galaxias y la distribución de materia a grandes escalas cósmicas.

Los agujeros negros formados antes del rebote o poco después podrían constituir una fracción de la masa invisible. Si el Universo temprano produjo suficientes de esos objetos, su masa total podría aportar una parte importante de la materia oscura. Los cálculos admiten incluso el caso límite en que los agujeros negros antiguos expliquen toda la densidad observada de materia oscura.

Tal explicación no requiere introducir una partícula elemental desconocida como portadora de la materia oscura. Los agujeros negros emiten casi ningún radiación electromagnética propia y se detectan principalmente por sus efectos gravitatorios. La comprobación depende de su número y de la distribución de masas: debe haber suficientes agujeros negros antiguos, pero su población no puede contradecir los datos astronómicos ya acumulados.

Un interés adicional por la hipótesis procede de las observaciones del telescopio «James Webb». El telescopio ha descubierto en el Universo temprano objetos inesperadamente masivos, incluidos fuentes compactas denominadas «puntos rojos pequeños». Muchos astrónomos relacionan una parte de esa población con agujeros negros en fase de rápido crecimiento.

El problema está en la antigüedad de los objetos hallados. Algunos agujeros negros masivos existían en un periodo en el que había transcurrido relativamente poco tiempo desde el Big Bang. Los escenarios habituales deben explicar cómo agujeros negros originalmente pequeños consiguieron aumentar su masa tan deprisa.

El rebote cosmológico plantea un conjunto distinto de condiciones iniciales. Los agujeros negros masivos podrían existir inmediatamente después de la transición a la expansión si algunos objetos sobrevivieron a la etapa anterior. En ese caso, las galaxias tempranas no necesitarían primero formar un agujero negro grande a partir de un predecesor pequeño. La materia podría reunirse desde el principio alrededor de un centro gravitatorio ya voluminoso.

La hipótesis se puede verificar mediante varias líneas de observación independientes. Una opción está vinculada a ondas gravitacionales relictas generadas durante la etapa de contracción previa. Si parte de esas ondas sobrevivió al rebote, el Universo actual debería conservar un fondo con características distintas de las señales originadas tras el inicio de la expansión.

Otra posible fuente de información es la radiación de fondo. Pequeñas variaciones en su temperatura y polarización guardan información sobre las condiciones del Universo temprano. Los procesos anteriores al rebote podrían haber dejado en esa radiación débiles rasgos estadísticos que futuras observaciones podrían comparar con las predicciones del modelo.

La hipótesis aún no demuestra la existencia de una época anterior al Big Bang ni confirma que los agujeros negros antiguos constituyan realmente la materia oscura. Verificarla requiere encontrar señales observacionales concretas: ondas gravitacionales relictas, rasgos en la radiación de fondo o una población de agujeros negros con parámetros difíciles de conciliar con su formación después del inicio de la expansión actual.