Primordial black holes from a type-IIB/F theory inflaton potential

En los instantes más tempranos de nuestro universo, una fracción de segundo después del principio, el espacio mismo experimentó un periodo de expansión inimaginable conocido como inflación cósmica. Este estiramiento rápido suavizó el cosmos y plantó las semillas de todo lo que vemos hoy, desde galaxias hasta estrellas. Sin embargo, la teoría de la inflación también sugiere que, bajo condiciones específicas y raras, el universo podría haber producido diminutos y densos cúmulos de materia que colapsaron inmediatamente en agujeros negros. Estos se denominan agujeros negros primordiales. A diferencia de los agujeros negros formados por estrellas moribundas, estos habrían nacido de la energía pura del universo temprano. Durante décadas, los científicos se han preguntado si estos objetos existen y si podrían constituir la "materia oscura" invisible que mantiene unidas a las galaxias. El desafío ha sido encontrar un mecanismo físico que cree suficientes de estos agujeros negros sin romper las reglas de nuestra comprensión actual de la física.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Burdwan en la India ha dado un nuevo vistazo a este problema utilizando un marco específico de la teoría de cuerdas, una de las principales candidatas a una teoría del todo. Se centraron en un paisaje matemático llamado "potencial del inflatón", que describe el campo de energía responsable de impulsar la expansión inicial del universo. En su modelo, partieron de una versión de este campo que explica con éxito la estructura suave y a gran escala del universo que observamos hoy. A este modelo establecido, le introdujeron una perturbación localizada muy pequeña. Imagine que la pendiente suave de una colina tiene de repente un pequeño y suave bulto. En el lenguaje de los investigadores, este bulto fue creado al deformar ligeramente una de las formas geométricas fundamentales que definen las dimensiones ocultas de la teoría de cuerdas. Este pequeño cambio no fue solo un ajuste aleatorio; fue diseñado para probar cómo se comporta el universo cuando la expansión suave de la inflación encuentra una desaceleración temporal y localizada.

Cuando el campo que impulsa la inflación atraviesa este bulto, no se acelera ni se detiene por completo; en cambio, se ralentiza significativamente más de lo habitual. Los investigadores llaman a esto una fase de "rodadura ultra lenta" (ultra-slow-roll). Durante esta breve pausa, las fluctuaciones cuánticas en el universo, que normalmente son diminutas e inofensivas, se amplifican drásticamente. Piense en ello como una pausa momentánea en un río caudaloso que permite que una pequeña ondulación se convierta en una ola masiva. En sus simulaciones, esta amplificación causó que la densidad de la materia en ciertas regiones aumentara a un nivel mucho más alto que el promedio. Cuando el universo continuó expandiéndose y estas regiones densas finalmente reingresaron al horizonte observable, la gravedad dentro de ellas se volvió tan fuerte que colapsaron instantáneamente en agujeros negros.

El estudio calculó las propiedades de estos hipotéticos agujeros negros con gran precisión. Encontraron que el proceso produciría agujeros negros con una masa aproximadamente equivalente a la de la Tierra o Júpiter, un tamaño mucho más pequeño que los agujeros negros formados por estrellas. Estos objetos serían increíblemente ligeros en términos astronómicos, pero lo suficientemente masivos como para sobrevivir hasta el presente. Los investigadores determinaron que estos agujeros negros tardarían una cantidad de tiempo casi incomprensible en evaporarse, mucho más larga que la edad actual del universo. Esto significa que, si fueron creados en las cantidades sugeridas por su modelo, todavía estarían presentes hoy, contribuyendo potencialmente a la materia oscura que permea el cosmos.

Sin embargo, la existencia de estos objetos no está exenta de restricciones. El equipo contrastó sus resultados con observaciones del mundo real, buscando específicamente datos de los sondeos de microlente. Estos sondeos buscan el aumento temporal del brillo de estrellas distantes causado por la gravedad de objetos que pasan. Los investigadores encontraron que, para que su modelo sea consistente con lo que vemos en el cielo, la densidad de las fluctuaciones primordiales debe permanecer por debajo de un umbral específico. Si las fluctuaciones fueran más fuertes, la abundancia resultante de agujeros negros sería demasiado alta, contradiciendo la falta de eventos de microlente observados. Sus cálculos sugieren que, si bien estos agujeros negros podrían existir, representarían solo una pequeña fracción de la materia oscura total, aproximadamente el 0.12 por ciento, en lugar de ser la única explicación para ella.

Más allá de los propios agujeros negros, el estudio señala una forma potencial de probar estas ideas en el futuro. El proceso violento de creación de estos agujeros negros también generaría ondulaciones en el espacio-tiempo conocidas como ondas gravitacionales. Los investigadores señalaron que la frecuencia específica de estas ondas cae dentro del rango de sensibilidad del Square Kilometer Array, un proyecto de un enorme radiotelescopio que se está desarrollando actualmente. Esto sugiere que las observaciones futuras podrían detectar estas ondas, proporcionando evidencia sólida de la existencia de estos agujeros negros primordiales, o descartar este mecanismo específico por completo. El trabajo ofrece un camino concreto hacia adelante, moviendo la búsqueda de estos objetos elusivos desde la teoría pura hacia el ámbito de la ciencia observable.