Los científicos han reforzado la posible conexión entre la energía oscura y los agujeros negros. Nuevas investigaciones sugieren que, a medida que nacían más agujeros negros en «pequeñas repeticiones inversas del Big Bang» en el cosmos de 14.600 millones de años, la fuerza de la energía oscura crecía hasta convertirse en dominante y sigue cambiando hasta nuestros días.
La energía oscura es la misteriosa fuerza que impulsa la aceleración de la expansión del universo en la época actual. Es preocupante porque los científicos no tienen ni idea de lo que es la energía oscura, pero domina nuestro universo, representando alrededor del 70% del presupuesto cósmico de materia/energía. Sin embargo, no siempre ha sido así. Antes de la época dominada por la energía oscura, la materia y la gravedad dominaban el universo y habían conseguido ralentizar su expansión inicial impulsada por el Big Bang hasta casi detenerla. La energía oscura dio entonces su golpe cósmico hace unos 5.000 millones de años, «apretando el acelerador» en la expansión del universo de nuevo. El problema es que nadie sabe de dónde procede ni cómo se produjo ese cambio de materia a energía oscura.
Para abordar este misterio, un equipo de científicos se ha preguntado en qué lugar del universo actual la gravedad es tan fuerte como al principio del universo. La respuesta sólo está en el corazón de los agujeros negros. Así, el equipo determinó que los agujeros negros podrían estar «acoplados cósmicamente» a la energía oscura.
Imagen del protocúmulo estelar PHz G191.24+62.04 tomada por el JWST hace 11.000 millones de años. La región también está dando a luz rápidamente agujeros negros (Crédito de la imagen: NASA, ESA, CSA, Maria Polletta (INAF), Hervé Dole (París), Brenda Frye (UofA), Jordan C. J. D’Silva (UWA), Anton M. Koekemoer (STScI), Jake Summers (ASU), Rogier Windhorst (ASU))
«Según la hipótesis del acoplamiento cosmológico, los agujeros negros están acoplados al universo en expansión y están llenos de energía oscura que crece a medida que el universo se expande», explicó a universeexpedition.com Gregory Tarlé, miembro del equipo y profesor de Física de la Universidad de Michigan. «Este nuevo avance proporciona pruebas confirmatorias de que los agujeros negros acoplados cosmológicamente pueden muy bien ser la energía oscura del universo».
Tarlé afirma que esto podría deberse a que cuando un agujero negro se forma durante la muerte y el colapso gravitatorio de otro agujero negro, es parecido al Big Bang funcionando a la inversa. Durante este proceso, la materia de la estrella masiva que da origen a un agujero negro se convertiría en energía oscura durante su colapso gravitatorio completo.
Si los agujeros negros contienen energía oscura, el equipo teoriza que pueden acoplarse con el tejido del universo e impulsar su expansión acelerada. Todavía no tienen los detalles de cómo ocurre esto, pero tienen pruebas de que efectivamente está ocurriendo.
«Este nuevo avance proporciona pruebas confirmatorias de que los agujeros negros acoplados cosmológicamente pueden muy bien ser la energía oscura del universo», dijo Tarlé. «Es muy probable que esto nos acerque a descubrir la verdadera naturaleza de la energía oscura. Quizá también nos acerque a la comprensión de la verdadera naturaleza de los agujeros negros».
El corazón del misterio se encuentra en el corazón agujeros negros
Es la segunda vez que el equipo publica una investigación centrada en el acoplamiento cosmológico entre los agujeros negros y la energía oscura.
«El primer estudio que publicamos en febrero de 2024 mostraba el impacto del universo en expansión en el crecimiento de agujeros negros supermasivos en galaxias elípticas de evolución pasiva», explica Tarlé. «Si todos los agujeros negros crecieran de esta manera, podrían explicar colectivamente la densidad de la energía oscura en el universo actual».
Para esta nueva investigación, recurrieron a los datos del Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura (DESI). Compuesto por 5.000 ojos robóticos montados en el telescopio Mayall del Observatorio Nacional de Kitt Peak. DESI estudia decenas de millones de galaxias y cuásares para construir un mapa en 3D que abarca el universo hasta una distancia de 11.000 millones de años luz.
El primer año de datos del programa quinquenal de DESI dio que hablar al sugerir que la densidad de la energía oscura en el universo está cambiando.
«Generalmente se cree que la energía oscura es una propiedad del espacio y que, por tanto, su densidad es uniforme y constante. DESI acaba de aportar pruebas tentadoras de que la densidad de la energía oscura no es constante, sino que cambia con el tiempo», afirma Tarlé. «Esta teoría de acoplamiento proporciona un posible mecanismo físico para este cambio».
El equipo comparó los datos de DESI relativos al cambio en la energía oscura con el número de agujeros negros nacidos en la muerte de estrellas masivas a lo largo de la historia cósmica. Esto demostró que a medida que se creaban más agujeros negros, el contenido de energía oscura del universo aumentaba a la par. Esto implica que la conexión entre la energía oscura y los agujeros negros es, al menos, plausible.
Diagrama de la evolución del universo desde su inicio en el Big Bang hasta la era moderna. (Crédito de la imagen: NASA/WMAP Science Team)
Al mostrar el cambio en la densidad de la energía oscura sugerido por el primer año de datos de DESI, que puede explicarse por los agujeros negros producidos a partir de estrellas pesadas alrededor del pico de formación estelar, el equipo tiene cierta validación experimental de su teoría.
«Mostrar cómo el crecimiento de la densidad de la energía oscura sigue la producción y el crecimiento de los agujeros negros en el universo en expansión es una observación independiente que complementa la observación del crecimiento de los agujeros negros con la expansión del universo», prosigue Tarlé.
El acoplamiento de la energía oscura y los agujeros negros podría explicar lo que se esconde en el corazón de agujeros negros como este, captado por el telescopio Event Horizon en el corazón de la lejana galaxia M87. (Crédito de la imagen: EHT Collaboration)
Aunque el investigador de la Universidad de Michigan y sus colegas aún no están preparados para explicar cómo están conectadas la energía oscura y la materia oscura, Tarlè está dispuesto a especular para universeexpedition.com.
«En el universo primitivo, cuando la gravedad era muy fuerte, una forma de energía oscura hizo que el universo se inflara exponencialmente. A través de algún proceso desconocido, esta energía se transformó en la materia del universo actual», explicó Tarlè. «Es concebible que, en el centro de los agujeros negros, el único lugar del universo actual donde la gravedad es tan fuerte como lo fue durante la inflación, la materia se transforme en energía oscura mediante el proceso inverso».
La belleza de esta teoría, dijo Tarlè, es que no sólo ayuda a explicar la energía oscura y de dónde surgió, sino que también ayuda a resolver un problema persistente en la ciencia de los agujeros negros.
Actualmente, en el corazón de los agujeros negros, al menos en teoría, existe una singularidad, un punto en el que las ecuaciones de la teoría de la gravedad y de la relatividad general de Einstein llegan hasta el infinito y, por tanto, donde toda la física se rompe. El acoplamiento cosmológico de la energía oscura y los agujeros negros elimina esta singularidad.
«Nuestra teoría tiene la ventaja añadida de proporcionar un mecanismo que permite evitar la singularidad central», añade Tarlè. «Einstein nunca creyó en la singularidad en el centro de los agujeros negros y consideró que esto representaba un fallo de su teoría».
Tarlé explicó que este trabajo podría crecer por una serie de posibles vías. Añadió que hay muchos «próximos pasos» que el equipo podría dar. Entre ellos está ver si sus resultados se mantienen cuando DESI publique sus próximos 3 años de datos, que se espera que se publiquen dentro de varios meses.
Los investigadores también intentarán comprender la distribución de los agujeros negros acoplados cosmológicamente en el universo y trabajarán en una «solución interior» para los agujeros negros acoplados cosmológicamente.
«Fundamentalmente, si los agujeros negros son energía oscura, acoplada al universo que habitan, ha dejado de ser sólo una cuestión teórica», concluyó Tarlé. «Ahora es una cuestión experimental».
La investigación del equipo se publicó el lunes (28 de octubre) en la revista Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.
