Estudio vincula los agujeros negros con la energía oscura

Hace casi 14 mil millones de años, al comienzo del Big Bang, una energía misteriosa impulsó una expansión exponencial del universo infantil y produjo toda la materia conocida, según la teoría inflacionaria del universo predominante.

Esa energía antigua compartía características clave de la energía oscura del universo actual, que es el mayor misterio de nuestro tiempo según al menos un estándar objetivo: constituye la mayoría (aproximadamente el 70 %) del universo, pero los científicos no saben exactamente qué es.

«Si nos hacemos la pregunta: ‘¿En qué lugar del universo posterior vemos una gravedad tan fuerte como en el comienzo del universo?’, la respuesta está en el centro de los agujeros negros», dijo Gregory Tarlé, profesor de física en la Universidad de Michigan y coautor del estudio.

«Es posible que lo que sucedió durante la inflación ocurra a la inversa, que la materia de una estrella masiva vuelva a convertirse en energía oscura durante el colapso gravitacional, como un pequeño Big Bang reproducido a la inversa».

En un nuevo estudio publicado en el Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, Tarlé y colegas de cinco instituciones están reforzando la hipótesis de este escenario con datos recientes del Dark Energy Spectroscopic Instrument. DESI está formado por 5.000 ojos robóticos montados en el telescopio Mayall en el Observatorio Nacional Kitt Peak en la tierra de la Nación Tohono O’odham.

«Si los agujeros negros contienen energía oscura, pueden acoplarse y crecer con el universo en expansión, haciendo que su crecimiento se acelere», dijo Kevin Croker, autor principal del nuevo estudio del equipo y científico investigador asistente en la Universidad Estatal de Arizona. «No podemos obtener los detalles de cómo está sucediendo esto, pero podemos ver evidencia de que está sucediendo».

Los datos del primer año del estudio de cinco años planificado por DESI muestran evidencia tentadora de que la densidad de la energía oscura aumentó con el tiempo. Esto proporciona una pista convincente que apoya esta idea de qué es la energía oscura, dijeron los investigadores, porque ese aumento en el tiempo concuerda con cómo la cantidad y la masa de los agujeros negros aumentaron con el tiempo.

«Cuando me involucré por primera vez en el proyecto, era muy escéptico», dijo el coautor Steve Ahlen, profesor emérito de física en la Universidad de Boston. «Pero mantuve una mente abierta durante todo el proceso y cuando comenzamos a hacer los cálculos cosmológicos, dije: ‘Bueno, este es un mecanismo realmente bueno para generar energía oscura'».

La diferencia que marca un DESI

Para buscar evidencia de energía oscura de los agujeros negros, el equipo utilizó decenas de millones de galaxias distantes medidas por DESI. El instrumento mira miles de millones de años hacia el pasado y recopila datos que pueden usarse para determinar qué tan rápido se está expandiendo el universo con una precisión exquisita. A su vez, estos datos pueden usarse para inferir cómo está cambiando la cantidad de energía oscura en el tiempo.

El equipo comparó estos datos con la cantidad de agujeros negros que se estaban formando en las muertes de grandes estrellas a lo largo de la historia del universo.

«Los dos fenómenos eran consistentes entre sí: a medida que se formaban nuevos agujeros negros en las muertes de estrellas masivas, la cantidad de energía oscura en el universo aumentaba de la manera correcta», dijo Duncan Farrah, profesor asociado de física en la Universidad de Hawái y coautor del estudio. «Esto hace que sea más plausible que los agujeros negros sean la fuente de energía oscura».

Esta investigación complementa un creciente cuerpo de literatura que estudia la posibilidad del acoplamiento cosmológico en los agujeros negros. Un estudio de 2023, en el que participaron muchos de los autores de este artículo, informó sobre el acoplamiento cosmológico en agujeros negros supermasivos dentro de los centros galácticos. Ese informe de 2023 animó a otros equipos a buscar el efecto en los agujeros negros en todos los lugares diferentes en los que se pueden encontrar en el universo.

«Esos artículos investigan el vínculo entre la energía oscura y los agujeros negros a través de su tasa de crecimiento. Nuestro nuevo artículo vincula los agujeros negros con la energía oscura según el momento en que nacen», dijo Brian Cartwright, astrofísico, coautor y ex asesor general de la Comisión de Bolsa y Valores de Estados Unidos.

Una diferencia clave en el nuevo artículo es que la mayoría de los agujeros negros relevantes son más jóvenes que los examinados anteriormente. Estos agujeros negros nacieron en una época en la que la formación de estrellas, que sigue la formación de agujeros negros, estaba muy avanzada, en lugar de recién comenzar.

«Esto ocurre mucho más tarde en el universo y está informado por mediciones recientes de la producción y el crecimiento de agujeros negros, observadas con los telescopios espaciales Hubble y Webb», dijo el coautor Rogier Windhorst, un científico interdisciplinario del JWST y profesor de exploración de la Tierra y el espacio en la Universidad Estatal de Arizona.

«La siguiente pregunta es dónde están estos agujeros negros y cómo se han estado moviendo durante los últimos 8 mil millones de años. Los científicos están trabajando para limitar esto en este momento», dijo Croker.

La ciencia exige más vías de investigación y observaciones, y ahora que DESI está en línea, esta exploración de la energía oscura recién está comenzando.

«Esto solo aportará más profundidad y claridad a nuestra comprensión de la energía oscura, ya sea que continúe apoyando la hipótesis del agujero negro o no», dijo Ahlen. «Creo que como un esfuerzo experimental, es maravilloso. Puedes tener nociones preconcebidas o no, pero estamos impulsados ​​por datos y observaciones».

Independientemente de lo que traigan esas futuras observaciones, el trabajo que se está realizando ahora representa un cambio radical en la investigación de la energía oscura, dijo el equipo.

«En esencia, ya no es sólo una cuestión teórica si los agujeros negros son energía oscura, asociada al universo en el que habitan», afirmó Tarlé. «Ahora es una cuestión experimental».

Con información de Journal of Cosmology and Astroparticle Physics