El último suspiro de un agujero negro primordial podría ser la fuente de la “partícula fantasma” de mayor energía detectada hasta la fecha, propone un nuevo estudio del MIT.

En un artículo que aparece hoy en Physical Review Letters, físicos del MIT plantean una sólida teoría de que un neutrino altamente energético observado recientemente puede haber sido el producto de un agujero negro primordial que explotó fuera de nuestro sistema solar.

A los neutrinos a veces se les llama partículas fantasma, debido a su naturaleza invisible pero omnipresente: son el tipo de partícula más abundante en el universo, pero apenas dejan rastro. Recientemente, los científicos identificaron indicios de un neutrino con la mayor energía jamás registrada, pero aún no se ha confirmado el origen de una partícula tan inusualmente poderosa.

Los investigadores del MIT proponen que el misterioso neutrino podría provenir de la inevitable explosión de un agujero negro primordial. Los agujeros negros primordiales (APR) son agujeros negros hipotéticos, versiones microscópicas de los agujeros negros mucho más masivos que se encuentran en el centro de la mayoría de las galaxias. Se teoriza que los APR se formaron en los primeros momentos tras el Big Bang. Algunos científicos creen que los agujeros negros primordiales podrían constituir la mayor parte o la totalidad de la materia oscura del universo actual.

Al igual que sus contrapartes más masivas, los PBH deberían perder energía y contraerse a lo largo de su vida útil, en un proceso conocido como radiación de Hawking, predicho por el físico Stephen Hawking. Cuanto más irradia un agujero negro, más se calienta y más partículas de alta energía libera. Este proceso descontrolado debería producir una explosión increíblemente violenta de las partículas más energéticas justo antes de que el agujero negro se evapore.

Los físicos del MIT calculan que, si los PBH constituyen la mayor parte de la materia oscura del universo, una pequeña subpoblación de ellos estaría experimentando sus explosiones finales hoy en día en toda la Vía Láctea. Y debería existir una posibilidad estadísticamente significativa de que dicha explosión ocurriera relativamente cerca de nuestro sistema solar. La explosión habría liberado una ráfaga de partículas de alta energía, incluyendo neutrinos, una de las cuales habría tenido una alta probabilidad de impactar en un detector en la Tierra.

Si tal escenario realmente hubiera ocurrido, la reciente detección del neutrino de mayor energía representaría la primera observación de la radiación de Hawking, algo que se ha asumido durante mucho tiempo, pero que nunca se ha observado directamente desde ningún agujero negro. Es más, el evento podría indicar la existencia de agujeros negros primordiales y que constituyen la mayor parte de la materia oscura, una sustancia misteriosa que comprende el 85 % de la materia total del universo, cuya naturaleza aún se desconoce.

“Resulta que existe este escenario donde todo parece coincidir, y no solo podemos demostrar que la mayor parte de la materia oscura [en este escenario] está compuesta por agujeros negros primordiales, sino que también podemos producir estos neutrinos de alta energía a partir de una explosión fortuita de un agujero negro primordial cercano”, afirma la autora principal del estudio, Alexandra Klipfel, estudiante de posgrado del Departamento de Física del MIT. “Es algo que ahora podemos intentar buscar y confirmar con diversos experimentos”.

El otro coautor del estudio es David Kaiser, profesor de física y profesor Germeshausen de Historia de la Ciencia en el MIT.

Tensión de alta energía

En febrero, los científicos del Telescopio de Neutrinos de Kilómetros Cúbicos (KM3NeT) informaron sobre la detección del neutrino de mayor energía registrado hasta la fecha. KM3NeT es un detector submarino de neutrinos a gran escala ubicado en el fondo del mar Mediterráneo, cuyo entorno está diseñado para amortiguar los efectos de cualquier partícula que no sean neutrinos.

Los científicos que operaban el detector detectaron la señal de un neutrino con una energía superior a 100 petaelectronvoltios. Un petaelectronvoltio equivale a la energía de un cuatrillón de electrónvoltios.

“Se trata de una energía increíblemente alta, mucho mayor que la que los humanos son capaces de acelerar partículas”, afirma Klipfel. “No hay mucho consenso sobre el origen de partículas de tan alta energía”.

Neutrinos de alta energía similares, aunque no tan altos como los observados por KM3NeT, han sido detectados por el Observatorio IceCube, un detector de neutrinos incrustado en las profundidades del hielo del Polo Sur. IceCube ha detectado alrededor de media docena de estos neutrinos, cuyas energías inusualmente altas también han eludido toda explicación. Sea cual sea su origen, las observaciones de IceCube permiten a los científicos determinar una tasa plausible a la que los neutrinos de esas energías suelen impactar la Tierra. Sin embargo, si esta tasa fuera correcta, sería extremadamente improbable haber visto el neutrino de ultraalta energía que KM3NeT detectó recientemente. Los descubrimientos de ambos detectores, por lo tanto, parecían estar en lo que los científicos llaman "en tensión".

Kaiser y Klipfel, quienes habían estado trabajando en un proyecto independiente sobre agujeros negros primordiales, se preguntaron: ¿Podría un PBH haber producido tanto el neutrino KM3NeT como el puñado de neutrinos IceCube, en condiciones en las que los PBH constituyen la mayor parte de la materia oscura de la galaxia? Si pudieran demostrar que existía una posibilidad, se plantearía una posibilidad aún más emocionante: que ambos observatorios observaran no solo neutrinos de alta energía, sino también los remanentes de la radiación de Hawking.

“Nuestra mejor oportunidad”

El primer paso que dieron los científicos en su análisis teórico fue calcular cuántas partículas emitiría un agujero negro en explosión. Todos los agujeros negros deberían radiar lentamente con el tiempo. Cuanto más grande es un agujero negro, más frío es y emite partículas de menor energía a medida que se evapora lentamente. Por lo tanto, cualquier partícula emitida como radiación de Hawking por agujeros negros de gran masa estelar sería casi imposible de detectar. Por la misma razón, sin embargo, agujeros negros primordiales mucho más pequeños estarían muy calientes y emitirían partículas de alta energía en un proceso que se acelera cuanto más cerca está el agujero negro de desaparecer por completo.

“No tenemos ninguna esperanza de detectar la radiación de Hawking proveniente de agujeros negros astrofísicos”, dice Klipfel. “Así que, si alguna vez queremos verla, los agujeros negros primordiales más pequeños son nuestra mejor oportunidad”.

Los investigadores calcularon la cantidad y las energías de partículas que un agujero negro debería emitir, dada su temperatura y su masa menguante. Estiman que, en su nanosegundo final, una vez que un agujero negro es más pequeño que un átomo, debería emitir una última ráfaga de partículas, incluyendo unos 10⁻² neutrinos, o aproximadamente un sextillón de partículas, con energías de unos 100 petaelectronvoltios (aproximadamente la energía observada por KM3NeT).

Utilizaron este resultado para calcular el número de explosiones de PBH que tendrían que ocurrir en una galaxia para explicar los resultados de IceCube. Descubrieron que, en nuestra región de la Vía Láctea, deberían explotar unos 1000 agujeros negros primordiales por pársec cúbico al año. (Un pársec es una unidad de distancia equivalente a unos 3 años luz, lo que equivale a más de 10 billones de kilómetros).

Luego calcularon la distancia a la que podría haber ocurrido una explosión de este tipo en la Vía Láctea, de modo que solo unos pocos neutrinos de alta energía podrían haber alcanzado la Tierra y producido el reciente evento KM3NeT. Descubrieron que un PBH tendría que explotar relativamente cerca de nuestro sistema solar, a una distancia unas 2000 veces mayor que la distancia entre la Tierra y el Sol.

Las partículas emitidas por una explosión tan cercana se irradiarían en todas direcciones. Sin embargo, el equipo descubrió que existe una pequeña probabilidad del 8 % de que una explosión ocurra lo suficientemente cerca del sistema solar, una vez cada 14 años, como para que suficientes neutrinos de ultraalta energía impacten la Tierra.

"Una probabilidad del 8 por ciento no es terriblemente alta, pero está dentro del rango en el que deberíamos tomar tales riesgos en serio, más aún porque hasta ahora, no se ha encontrado otra explicación que pueda explicar tanto los neutrinos de muy alta energía inexplicados como el evento de neutrinos de energía ultra alta aún más sorprendente", dice Kaiser.

El escenario del equipo parece ser válido, al menos en teoría. Para confirmar su idea, se requerirán muchas más detecciones de partículas, incluyendo neutrinos a "energías desorbitadas". Entonces, los científicos podrán elaborar estadísticas más precisas sobre estos eventos inusuales.

“En ese caso, podríamos usar toda nuestra experiencia e instrumentación combinadas para intentar medir la aún hipotética radiación de Hawking”, dice Kaiser. “Eso proporcionaría la primera evidencia de este tipo para uno de los pilares de nuestra comprensión de los agujeros negros, y también podría explicar estos eventos de neutrinos de alta energía, que de otro modo serían anómalos. ¡Es una perspectiva muy emocionante!”

Al mismo tiempo, otros esfuerzos para detectar PBH cercanos podrían reforzar aún más la hipótesis de que estos objetos inusuales constituyen la mayor parte o la totalidad de la materia oscura.

Este trabajo fue financiado, en parte, por la Fundación Nacional de Ciencias, el Centro de Física Teórica del MIT (un Instituto Leinweber) y el Departamento de Energía de Estados Unidos.

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