¿Pueden los agujeros negros ser la clave para entender la energía oscura? Un nuevo estudio lo explica

La energía oscura es uno de los mayores misterios del Universo es responsable de la aceleración de la expansión del universo. Sin embargo, su naturaleza exacta sigue siendo desconocida.

Representación artística de un agujero negro liberando energía oscura. Crédito: IFA

Un equipo de investigadores liderado por científicos de la Universidad de Hawái en Mānoa ha descubierto la primera evidencia del “acoplamiento cosmológico”, un fenómeno predicho en la teoría de la gravedad de Einstein, posible solo cuando los agujeros negros están en un Universo en evolución.

Los astrofísicos Duncan Farrah y Kevin Croker dirigieron este estudio, combinando la experiencia en evolución de galaxias y teoría de la gravedad con la observación y análisis de investigadores de nueve países. Este trabajo proporciona la primera visión de lo que podría existir dentro de los agujeros negros reales.

En 2015, LIGO detectó la primera fusión de agujeros negros, lo que cambió todo. Aunque la señal coincidía con las predicciones, extender esas predicciones a millones o miles de millones de años y ajustarlas a nuestro Universo en expansión no era claro.

Estos hallazgos sugieren que los agujeros negros podrían ser la fuente astrofísica de la energía oscura. Si se confirma con más evidencia, redefinirán nuestra comprensión de los agujeros negros.

El instrumento DESI está montado en el Telescopio Mayall, en Tucson, Arizona, EE. UU. Crédito: DESI.

Oscilaciones acústicas bariónicas

Las oscilaciones acústicas de bariones (BAO) son fluctuaciones en la densidad de la materia que ocurrieron antes del desacople de la materia y la radiación. Se pueden considerar como las primeras ondas sonoras del Universo, que quedaron impresas en la distribución de las galaxias y en el fondo cósmico de microondas (CMB).

Recientes mediciones de las BAO realizadas por el Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura (DESI) han proporcionado nuevas evidencias de que la energía oscura podría evolucionar con el tiempo. El estudio trata de cómo la energía oscura podría estar relacionada con la producción de agujeros negros.

Los agujeros negros, formados a partir de la muerte de estrellas masivas, podrían ser una fuente natural de energía oscura que evoluciona con el tiempo. Esta hipótesis se basa en la idea de que la producción de agujeros negros ayuda a la formación de estrellas en el cosmos.

Los investigadores midieron la fracción de densidad bariónica convertida en agujeros negros, asumiendo que toda la energía oscura proviene de esta producción. Los resultados muestran que la densidad de energía oscura se ajusta a los modelos de DESI dentro de un margen de error del 1%.

Los estudios

El equipo publicó dos artículos en The Astrophysical Journal y The Astrophysical Journal Letters, estudiando agujeros negros supermasivos en galaxias antiguas y dormidas. En el primer estudio, el equipo usó mediciones existentes para buscar el acoplamiento cosmológico.

El interés del equipo era encontrar evidencia observacional que apoyara un modelo de agujeros negros válido a lo largo del tiempo. Observar agujeros negros durante miles de millones de años es una tarea difícil debido a su tamaño y lejanía.

Se centraron en galaxias elípticas pasivamente evolucionadas, ya que cualquier cambio en la masa de sus agujeros negros no podría explicarse fácilmente por otros procesos conocidos. Encontraron que los agujeros negros eran de 7 a 20 veces más grandes hoy que hace 9 mil millones de años, lo que sugiere el acoplamiento cosmológico como la causa.

En el segundo estudio, investigaron si el crecimiento de los agujeros negros podía explicarse solo por el acoplamiento cosmológico. Compararon cinco poblaciones de agujeros negros en tres colecciones de galaxias elípticas y encontraron que el valor coincide con las predicciones de agujeros negros que contienen energía de vacío.

El papel de los agujeros negros en la Energía Oscura

La idea de que los agujeros negros podrían estar acoplados cosmológicamente y contribuir a la energía oscura es fascinante. Según esta teoría, los agujeros negros no sólo crecen por acreción de materia, sino que también ganan masa a medida que el Universo se expande.

Este crecimiento podría explicar la evolución de la energía oscura. Además, de arrojar un valor de 70 para la constante de aceleración del Universo (constante de Hubble), lo que proporciona una posible solución al problema de los bariones perdidos y la baja masa de neutrinos encontrada por DESI.

Ilustración de un modelo de agujero negro tradicional con componentes importantes del modelo etiquetados. Crédito: ESO

Los agujeros negros con interiores de energía oscura han sido propuestos en varios modelos teóricos, los cuales sugieren que podrían tener soluciones exactas en la relatividad general que los hacen expandirse junto con el Universo, lo que significa que su densidad se mantendría constante, contribuyendo a la energía oscura.

Por lo que los agujeros negros podrían desempeñar un papel crucial en la evolución de la energía oscura. Si la producción y el crecimiento de agujeros negros están acoplados cosmológicamente, esto podría explicar la evolución temporal de la energía oscura y su correlación con la formación estelar cósmica.

Implicaciones para la Cosmología y la Física fundamental

Es decir, si los agujeros negros están acoplados y contribuyen a la energía oscura, se podrían resolver varias discrepancias en las mediciones cosmológicas actuales, como el valor real de la constante de Hubble y el problema de los bariones perdidos.

Además, esta teoría proporciona una explicación física para la baja suma de masas de neutrinos obtenida por los datos de DESI. La producción de agujeros negros que disminuye la densidad bariónica establecida por la nucleosíntesis primordial podría ser la clave para entender estas anomalías.

La evolución global de la energía oscura también ofrece una nueva forma de probar este acoplamiento cosmológico en los agujeros negros, pues complementa las restricciones sobre el crecimiento de masa de estos objetos obtenidas de galaxias elípticas, binarias estelares, cúmulos globulares y la población de fusiones observada por LIGO-Virgo-KAGRA.

Es decir, la idea de que los agujeros negros contribuyen a la energía oscura no sólo es coherente con las observaciones actuales, sino que también abre nuevas vías para investigar la naturaleza de la energía oscura y su evolución a lo largo del tiempo.