Rebotes cosmológicos: demuestran que los agujeros negros pueden sobrevivir a un escenario de contracción y expansión del universo

Se conoce como ΛCDM (siglas en inglés para Lambda-materia fría oscura) al modelo cosmológico estándar vigente, es decir, el más aceptado por la comunidad científica internacional que explica cómo ha sido la evolución del universo desde sus comienzos y da cuenta de cómo se fueron generando los distintos elementos y estructuras que lo componen. Basado en la Teoría de la Relatividad General propuesta por el físico alemán Albert Einstein en 1915 y en la Teoría Cuántica de Campos, es un modelo que “funciona bien”, y que fue respaldado con gran cantidad de observaciones que corroboraron sus predicciones. De acuerdo a este modelo, el universo comienza su expansión desde un estado de altísima densidad y temperatura, el Big Bang. Las teorías físicas actuales, sin embargo, son incapaces de explicar las condiciones del universo, tanto previas como justo al inicio de ese estado de expansión.

Esta limitante en el ΛCDM hizo que muchos científicos y científicas del mundo comenzaran a trabajar en modelos cosmológicos alternativos. Así surgieron las llamadas cosmologías de rebote, que postulan la existencia de un universo muy diluido con estructuras ya formadas, tal como el que conocemos en la actualidad, que por algún proceso se contrajo hasta determinado punto en el que rebotó para comenzar a expandirse.

En esta línea, una investigadora y un investigador del CONICET en el Instituto Argentino de Radioastronomía (IAR, CONICET-UNLP-CICPBA) se lanzaron a la tarea de estudiar qué tipo de objetos podrían sobrevivir a esa etapa de contracción y rebote del universo: “Si tenemos un universo ya formado, con galaxias, planetas, agujeros negros, y el resto de los elementos que lo componen, que se empieza a contraer, este pasaría a ser un lugar mucho más caliente y denso, y las estructuras se empezarían a desarmar. Ya no tendríamos estrellas, planetas y galaxias, sino una especie de fluido cada vez más caliente y denso”, describe Daniela Pérez, investigadora del CONICET en el IAR y primera autora del estudio publicado en la revista científica Physical Review D. “Nosotros nos preguntamos si existe algún tipo de objeto capaz de sobrevivir a esa pérdida de estructura, atravesar el rebote y emerger intacto en la fase de expansión en la que nos encontramos ahora. Nuestros candidatos eran los agujeros negros, porque son regiones del espacio-tiempo desconectadas del resto del universo, que no están formados por partículas, átomos o electrones; son solo espacio-tiempo”, añade.

“Uno puede hacer estos cálculos por pura curiosidad física”, bromea Pérez, pero resalta que este tipo de estudios tiene implicancias en la cosmología moderna, la rama de la física que estudia el universo, ya que, entre otras cosas, podrían permitir entender por qué los agujeros negros supermasivos –de millones de masas solares– lograron reunir tanta masa en el período de tiempo que lleva la etapa de expansión cosmológica.

El primer trabajo referido a este tema fue publicado por Pérez en 2021, en colaboración con Gustavo E. Romero, investigador del CONICET y director del IAR, y Santiago E. Pérez Bergliaffa, investigador argentino en la Universidad del Estado de Río de Janeiro (UERJ), Brasil. “Las soluciones exactas clásicas de agujeros negros no toman en cuenta que estos están embebidos en el universo y, por ende, sienten los cambios dinámicos que tienen lugar en él. Entonces recurrimos a soluciones de ecuaciones de campo de Einstein más complejas, conocidos como espacio-tiempos de McVittie, que sí incorporan esa característica”, cuenta la investigadora.

En el primer modelo que la autora y los autores exploraron, los agujeros negros no logran sobrevivir a un escenario de contracción y rebote, porque el horizonte de eventos de estos objetos –la frontera o límite físico que los define– desaparece al quedar asociada al horizonte cosmológico, es decir el límite observable del cosmos.

“Entonces pensamos en soluciones aún más realistas”, apunta Pérez, y añade: “En el segundo estudio, que realizamos junto al doctor Romero, en lugar de usar la métrica de McVittie utilizamos lo que se llama la métrica generalizada de McVittie, que es más compleja matemáticamente y que muestra una mejor interacción del horizonte de eventos de los agujeros negros con la dinámica del universo”. Este nuevo trabajo permitió comprobar por primera vez que los agujeros negros sí sobreviven intactos al rebote cosmológico: cuando el universo se contrae, ellos se contraen, atraviesan el rebote y pasan a la etapa de expansión en la que recuperan y aumentan nuevamente su masa.

Según el equipo, si este modelo que admite la supervivencia de los agujeros negros al paso por el rebote es una aproximación correcta al universo real, estos objetos podrían desempeñar un papel importante en la fase de expansión. “Esto tiene implicancias con relación a varios problemas de la cosmología actual”, destaca Pérez.

Uno de ellos es explicar el origen de la materia oscura, el componente principal del universo que debe su nombre precisamente a que no genera ningún tipo de radiación electromagnética, es decir no emite luz, por lo que no puede ser observada directamente y solo es posible inferir su presencia mediante la acción que ejerce sobre la dinámica de las galaxias y los distintos cuerpos celestes que sí se observan. “Nosotros sugerimos que parte de la materia oscura podría estar formada por estos agujeros negros que vienen de una etapa anterior del universo. Inferimos la presencia de la materia oscura porque observamos cómo afecta la dinámica de otros cuerpos, características que también tienen los agujeros negros”, comenta la científica.

Por otra parte, como se dijo, otra posible contribución del reciente trabajo sería ayudar a entender por qué los agujeros negros supermasivos lograron adquirir tanta masa en el tiempo de vida que lleva el universo. “Cuando estos agujeros negros atraviesan el rebote y van hacia la fase de expansión, al estar acoplados a la dinámica del universo, así como la masa disminuye cuando pasan por el rebote también se incrementa en la etapa de expansión”, indica la investigadora.

“Hay un tercer problema de la cosmología moderna al que podría contribuir y tiene que ver con otro tipo de modelos cosmológicos que proponen escenarios cíclicos de contracción y expansión del universo que no son del todo realistas, ya que la entropía –una magnitud física que indica el grado de desorden de un sistema– asociada al universo aumentaría cada vez más y más en cada ciclo. Entonces, sería interesante ver el rol que cumplen estos agujeros negros que se contraen, sobreviven y expanden, en esa retroalimentación entrópica en los modelos cosmológicos con rebote”, puntualiza Pérez.