Todas las galaxias, incluida la nuestra, podrían estar completamente rodeadas por una enorme esfera de agujeros negros. Esa es la extraordinaria conclusión de un equipo de investigadores del Centro Espacial Goddard, de la NASA, que ha sugerido la posibilidad de que la misteriosa y hasta ahora esquiva materia oscura esté hecha, en realidad, de “agujeros negros primordiales“, esto es, formados durante el primer segundo tras el Big Bang.

Para Alexander Kashlinsky, director de la investigación, la idea es consistente con lo que observamos en el fondo cósmico, tanto en la longitud de onda del infrarrojo como en la de los rayos X, y puede explicar también las masas inesperadamente elevadas de los dos agujeros negros en proceso de fusión observadas el año pasado, durante la primera detección de ondas gravitacionales. El estudio se acaba de publicar en The Astrophysical Journal Letters.

“Este estudio -explica el investigador- constituye un gran esfuerzo para unir toda una serie de ideas y observaciones y ver lo bien que encajan. Y resulta que encajan sorprendentemente bien. Si esto es correcto, entonces todas las galaxias, incluyendo la nuestra, serían parte de una gran esfera de agujeros negros, cada uno de ellos de aproximadamente 30 masas solares”.

Ya en 2005, Kashlinsky dirigió a un equipo de astrónomos, que usaron el telescopio espacial Spitzer para explorar el brillo del fondo cósmico en el rango del infrarrojo en una porción concreta de cielo. Los científicos reportaron una irregularidad excesiva en ese brillo, y concluyeron que probablemente se debía a la suma de los brillos de las primeras fuentes de luz que iluminaron el Universo primitivo, hace más de 13.000 millones de años. Estudios posteriores confirmaron que este brillo del fondo cósmico de infrarrojos (CIB, por sus siglas en inglés) tiene la misma e inesperada estructura irregular también en otras partes del cielo.

En 2013, otra investigación hizo lo mismo, pero esta vez observando el brillo del fóndo cósmico en el rango de los rayos X (CXB), utilizando el telescopio espacial Chandra, y en la misma porción de cielo en la que se había medido el brillo en el infrarrojo. Las primeras estrellas, que emiten la mayor parte de su radiación en el espectro visible y en el ultravioleta, no contribuyen en exceso al CXB.

El resultado fue que los brillos irregulares en el fondo cósmico coincidían muy bien tanto en los rayos X como en el infrarrojo. Y el único objeto conocido capaz de ser lo suficientemente luminoso en cualquier rango de energía es un agujero negro. Los investigadores, pues, concluyeron que los agujeros negros primordiales, los que se formaron durante el Big Bang, debieron de ser muy abundantes entre las primeras estrellas, tanto como para constituir al menos una de cada cinco de las fuentes que contribuyen al CIB.

No es materia oscura, sino agujeros negros

Y aquí es donde entra en juego la materia oscura, cuya auténtica naturaleza sigue siendo uno de los problemas no resueltos más importantes de la astrofísica. Cinco veces más abundante que la materia ordinaria, de la que están hechas todas las galaxias, estrellas y planetas que podemos ver, la materia oscura no “brilla”, es decir, no emite radiación, en ninguna longitud de onda, por lo que resulta indetectable para cualquiera de nuestros instrumentos. Sabemos que está ahí, sin embargo, porque su fuerza gravitatoria obliga a la materia ordinaria (la que sí podemos ver) a moverse de formas que, sin la existencia de esa masa invisible, serían imposibles.

Hasta ahora los físicos han tratado de construir modelos teóricos que puedan explicar la materia oscura con una partícula exótica muy masiva, pero todas las pruebas llevadas a cabo para encontrar esa hipotética partícula han fracasado sin excepción.

Según Kashlinsky, “estos estudios están proporcionando resultados cada vez más sensibles, reduciendo lentamente el abanico de parámetros donde las partículas de materia oscura se podrían ocultar. Pero el fracaso a la hora de encontrarlas ha llevado a un renovado interés por el estudio de lo bien que los agujeros negros primordiales -agujeros negros formados en primera fracción de segundo del universo- podrían funcionar como materia oscura”.

Los físicos creen que hay varias formas en que el universo temprano, muy caliente y en rápida expansión, pudo producir agujeros negros primordiales en la primera milésima de segundo tras el Big Bang. Y cuanto más tarde se pusiera en marcha este mecanismo, mayores serían los agujeros negros “fabricados” por el Universo recién nacido. Dado que la “ventana” para crear estos agujeros negros dura apenas una fracción de segundo, los agujeros negros primordiales, según los investigadores, deberían de estar todos dentro de un estrecho rango de masas.

Ondas gravitacionales, la primera pista

El Observatorio LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), hace algún tiempo que detectó las ondas gravitacionales causadas por la fusión de dos agujeros negros a 1.300 millones de años luz de distancia. Fue la primera vez que se lograba detectar las ondas gravitacionales que había predicho Einstein hace un siglo, pero también fue la primera detección directa de un agujero negro en toda la historia de la Ciencia. La señal captada por los investigadores aportó información sobre las masas de los dos agujeros negros en proceso de fusión: 29 y 36 masas solares, respectivamente. Valores inesperadamente grandes y, sobre todo, sorprendentemente similares.

“Según cuál sea el mecanismo que está actualdo -explica Kashlinsky- los agujeros negros primordiales podrían tener propiedades muy similares a las detectadas por LIGO. Si asumimos que ese es el caso, y que LIGO captó la fusión de dos agujeros negros nacidos en el universo temprano, entonces podemos estudiar las consecuencias que esto tiene en nuestra comprensión de cómo el cosmos, en última instancia, evolucionó”.

En su nuevo trabajo, Kashlinsky analiza lo que podría haber sucedido si la materia oscura realmente consiste en una gran población de agujeros negros similares a los detectados por LIGO. Esos agujeros negros, por ejemplo, distorsionaron la distribución de la masa en el universo temprano, añadiendo una pequeña fluctuación que tuvo consecuencias cientos de millones de años más tarde, cuando las primeras estrellas empezaron a formarse.

Durante los primeros 500 millones de años de existencia del Universo, la materia ordinaria estaba demasiado caliente como para unirse y formar las primeras estrellas. Pero la materia oscura no resultó afectada por la temperatura ya que, debido a su propia naturaleza, no depende de la radiación e interactúa fundamentalmente a través de la gravedad. Agregándose a causa de esta atracción gravitatoria, la materia oscura se agrupó primero en estructuras llamadas “mini halos”, lo que proporcionó una serie de “semillas gravitacionales” alrededor de las cuales la materia ordinaria pudo ir acumulándose. Así, el gas caliente (la materia ordinaria) se fue acumulando alredodor de los “mini halos”, dando lugar a “paquetes” de gas lo suficientemente densos como para colapsar sobre sí mismos y formar las primeras estrellas.

Kashlinsky observa que si efectivamente los agujeros negros son la materia oscura, el proceso de formación estelar sucedería más rápidamente y se producirían con más facilidad las irregularidades en la luminosidad del fondo cósmico observadas en el rango de los infrarrojos por el telescopio Spitzer. Y esto sería así incluso si solo una pequeña parte de los “mini halos” estuviera produciendo estrellas.

Por supuesto, los agujeros negros también capturarían una parte del gas caliente que era atraído lor los “mini halos”. Esa materia, se recalentaría según se fuera acercando a los agujeros negros y terminaría, también, por producir rayos X. Juntas, la luz infrarroja procedente de las primeras estrellas y los rayos X emitidos por la materia atraída por los agujeros negros, producirían los mismos efectos que los científicos han observado en los brillos en CIB y el CXB.

De vez en cuando, además, alguno de estos agujeros negros primordiales pasaría lo suficientemente cerca de otro como para ser capturado por su gravedad y formar un sistema binario. Durante eones, los dos agujeros negros de esos sistemas binarios se orbitarían mutuamente, para terminar fundiéndose en uno solo, como el encontrado el año pasado por los detectores LIGO.

“Las futuras observaciones de LIGO -afirma Kashlinsky- nos dirán mucho más sobre la población de agujeros negros en el Universo, y no hará falta demasiado tiempo para saber si el escenario que propongo se sostiene o no”.

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