Los agujeros negros formados antes del Big Bang podrían seguir existiendo hoy como «fósiles cósmicos», lo que podría ayudar a explicar la misteriosa materia oscura que da forma a las galaxias en todo el Universo, según una nueva investigación del Instituto de Ciencias del Espacio (ICE-CSIC)
El estudio sugiere que el Universo podría no haber comenzado con un único origen explosivo, sino que podría ajustarse a los modelos de «rebote» cósmico, en los que el Universo surgió de una contracción anterior y dejó tras de sí agujeros negros remanentes que podrían sobrevivir hasta nuestros días como «fósiles cósmicos».
De ser correcto, estos objetos primordiales podrían ayudar a explicar varios misterios sin resolver de larga duración en cosmología, incluyendo la naturaleza de la materia oscura y los procesos que dieron origen a la formación de galaxias.
"Durante casi un siglo, los cosmólogos y cosmólogas han rastreado la historia del Universo hasta un único momento dramático conocido como el Big Bang. Según el modelo estándar, el espacio y el tiempo surgieron de un estado extremadamente caliente y denso hace unos 13.800 millones de años, seguido de miles de millones de años de expansión cósmica y formación de galaxias", afirma Enrique Gaztañaga, autor principal del estudio, investigador del Instituto de Ciencias del Espacio (ICE-CSIC), miembro del Instituto de Estudios Espaciales de Cataluña (IEEC) y profesor del Instituto de Cosmología de la Universidad de Portsmouth.
"Este modelo ha tenido un éxito notable. Explica la radiación cósmica de fondo de microondas —la débil radiación remanente del Universo primitivo— y predice con precisión cómo se distribuyen las galaxias a lo largo de vastas distancias cósmicas.
"Pero algunos de los misterios más profundos de la física siguen sin resolverse." Todavía desconocemos qué desencadenó el Big Bang, por qué el Universo comenzó en un estado tan especial, qué causó la breve explosión de rápida expansión conocida como inflación, o qué es la invisible «materia oscura» que supera a la materia ordinaria en una proporción de cinco a uno.
"Nuestra investigación explora una posibilidad que podría conectar varios de estos enigmas: el Universo podría no haber comenzado con una explosión singular, sino que habría surgido de un rebote cósmico que imita la inflación, con algunos de los objetos más antiguos del Universo potencialmente sobreviviendo como reliquias de antes de este evento".
Algunos agujeros negros podrían haberse formado durante la fase cósmica temprana y haber sobrevivido al rebote, dejando tras de sí objetos reliquias que aún podrían influir en la estructura de las galaxias miles de millones de años después. Otros podrían haberse formado poco después del rebote debido a fluctuaciones de densidad amplificadas, donde la materia en el Universo primitivo estaba distribuida de forma desigual en cúmulos más fuertes y pronunciados de lo habitual. Estos cúmulos de materia, con mayor densidad, colapsarían más fácilmente bajo su propia gravedad, lo que aumentaría la probabilidad de que se formaran grandes estructuras cósmicas (y agujeros negros) en una etapa temprana. En la teoría de la relatividad general de Einstein, el Big Bang corresponde a una singularidad: un punto donde la densidad se vuelve infinita y las leyes conocidas de la física dejan de ser válidas. Muchos físicos interpretan esto como una señal de que nuestra descripción actual de los primeros instantes del Universo es incompleta.
Una idea alternativa es la cosmología del rebote, en la que nuestro Universo se origina a partir de una nube muy grande que primero se contrae y luego rebota, expandiéndose. En lugar de colapsar en una singularidad infinita, el Universo alcanza una densidad muy alta pero finita antes de invertir su movimiento.
Gaztañaga añade: "Las singularidades suelen indicar que nuestra descripción teórica ha llegado a sus límites. Un rebote proporciona una forma para que el Universo transite de la contracción a la expansión sin necesidad de una nueva física exótica".
Los investigadores sugieren que el rebote podría surgir de forma natural de la física cuántica. A densidades extremadamente altas, los efectos cuánticos crean una presión poderosa que impide que la materia se comprima indefinidamente; un fenómeno que ya estabiliza objetos densos como las enanas blancas y las estrellas de neutrones, y que reproduce la fase de expansión inflacionaria.
En el nuevo modelo, un efecto similar podría ocurrir a escalas cósmicas. A medida que el Universo se contrae, esta presión cuántica podría detener el colapso y desencadenar un rebote hacia la expansión.
Este rebote, sugieren los investigadores, también podría explicar dos de los mayores misterios de la cosmología. Primero, podría explicar por qué el Universo primitivo se expandió tan rápida y uniformemente en todas direcciones, un fenómeno conocido como inflación. Segundo, podría esclarecer por qué el Universo parece estar acelerando su expansión en la actualidad, un efecto que actualmente se atribuye a la fuerza poco comprendida llamada energía oscura.
Una implicación sorprendente es que algunas estructuras formadas durante la fase de colapso podrían haber sobrevivido al rebote. Los cálculos del equipo sugieren que los objetos compactos de más de 90 metros de tamaño podrían atravesar la transición y reaparecer en el Universo en expansión como fósiles del pasado.
Entre las posibles reliquias se incluyen ondas gravitacionales, fluctuaciones de densidad y agujeros negros antiguos.
Estos agujeros negros remanentes podrían ayudar a explicar la materia oscura, la sustancia invisible que da forma a las galaxias y a la estructura a gran escala del Universo. Si se formaron grandes cantidades durante el rebote, podrían constituir una fracción significativa —e incluso la totalidad— de la materia oscura.
Esta idea también podría ayudar a explicar los recientes descubrimientos del Telescopio Espacial James Webb de objetos inesperadamente masivos en el universo primitivo, a veces denominados "pequeños puntos rojos". Muchos astrónomos sospechan que estas fuentes están vinculadas a agujeros negros de rápido crecimiento que aparecieron sorprendentemente pronto después del Big Bang.
"Si los agujeros negros masivos ya existían inmediatamente después del rebote, el universo primitivo no habría tenido que empezar de cero al formar las primeras galaxias", afirmó Gaztañaga.
La teoría también hace predicciones que podrían comprobarse con futuras observaciones. Los científicos podrían buscar ondas gravitacionales remanentes de una fase cósmica anterior o patrones sutiles en el fondo cósmico de microondas que conserven rastros del universo anterior al Big Bang.
"Aún queda mucho trabajo por hacer para comprobar estas ideas", añadió Gaztañaga. "Pero si el universo experimentó un rebote, las estructuras oscuras que dan forma a las galaxias hoy podrían ser remanentes de una época cósmica que precedió al Big Bang".
Referencia bibliográfica:
Esta investigación se presenta en el artículo "Cosmological bounce relics: Black holes, gravitational waves, and dark matter", publicado en Physical Review D.
