Un nuevo estudio del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) sugiere que el último estertor de un agujero negro primordial podría ser la fuente del neutrino de mayor energía detectado hasta la fecha. Este hallazgo, publicado en Physical Review Letters, plantea una teoría sólida sobre cómo un neutrino altamente energético observado recientemente podría haber sido generado por la explosión de un agujero negro primordial fuera de nuestro sistema solar.
Los neutrinos, a menudo denominados partículas fantasma debido a su naturaleza invisible y omnipresente, son los tipos de partículas más abundantes en el universo, aunque dejan apenas rastro. Recientemente, se identificaron señales de un neutrino con la energía más alta jamás registrada, pero aún no se ha confirmado su origen.
Los investigadores del MIT proponen que este misterioso neutrino podría provenir de la inevitable explosión de un agujero negro primordial. Estos agujeros negros hipotéticos son versiones microscópicas de los enormes agujeros negros que se encuentran en el centro de la mayoría de las galaxias y se cree que se formaron en los primeros momentos tras el Big Bang. Algunos científicos sostienen que los agujeros negros primordiales podrían constituir la mayor parte o incluso toda la materia oscura del universo actual.
La radiación de Hawking y sus implicaciones
Al igual que sus contrapartes más masivas, los agujeros negros primordiales deberían irradiar energía y disminuir su tamaño a lo largo del tiempo en un proceso conocido como radiación de Hawking, predicho por el físico Stephen Hawking. Cuanto más irradia un agujero negro, más caliente se vuelve y más partículas energéticas libera. Este proceso puede culminar en una explosión extremadamente violenta justo antes de que un agujero negro se evapore por completo.
Los físicos del MIT calculan que si los agujeros negros primordiales constituyen la mayor parte de la materia oscura en el universo, entonces una pequeña subpoblación de ellos estaría experimentando sus explosiones finales hoy en día a lo largo de nuestra galaxia, la Vía Láctea. Además, existe una posibilidad estadísticamente significativa de que tal explosión haya ocurrido relativamente cerca de nuestro sistema solar. Esta explosión habría liberado una ráfaga de partículas energéticas, incluidos neutrinos, uno de los cuales podría haber tenido buenas probabilidades de impactar un detector en la Tierra.
Si este escenario resulta cierto, la reciente detección del neutrino más energético representaría la primera observación directa de la radiación de Hawking, algo que ha sido asumido durante mucho tiempo pero nunca visto directamente desde ningún agujero negro. Más aún, el evento podría indicar que existen agujeros negros primordiales y que estos constituyen la mayor parte de la materia oscura —una sustancia misteriosa que representa el 85% del total de materia en el universo y cuya naturaleza sigue siendo desconocida.
Detección y análisis teórico
“Surge un escenario donde todo parece alinearse; no solo podemos demostrar que gran parte de la materia oscura [en este escenario] está compuesta por agujeros negros primordiales, sino también generar estos neutrinos altamente energéticos a partir de una explosión cercana”, afirma Alexandra Klipfel, autora principal del estudio y estudiante graduada en el Departamento de Física del MIT. “Es algo que ahora podemos intentar buscar y confirmar con varios experimentos”.
El coautor del estudio es David Kaiser, profesor de física y profesor Germeshausen de Historia de la Ciencia en el MIT.
En febrero pasado, científicos del Telescopio Neutrino Kilométrico Cubico (KM3NeT) informaron sobre la detección del neutrino más energético registrado hasta ahora. KM3NeT es un detector submarino a gran escala ubicado en el fondo del mar Mediterráneo, diseñado para mitigar los efectos de cualquier partícula distinta a los neutrinos.
Explorando las altas energías
Los científicos operando este detector captaron firmas de un neutrino pasando con una energía superior a 100 peta-electrón-volts. Un peta-electrón-volt equivale a 1 cuatrillón electronvolts.
“Esta es una energía increíblemente alta, muy por encima de lo que los humanos somos capaces de acelerar”, comenta Klipfel. “No hay mucho consenso sobre el origen de estas partículas tan energéticas”.
A pesar de ello, otros neutrinos igualmente energéticos han sido detectados por el Observatorio IceCube —un detector incrustado profundamente en el hielo en el Polo Sur— aunque no alcanzan las cifras observadas por KM3NeT. Las observaciones realizadas por IceCube permiten a los científicos calcular una tasa plausible a la cual estos neutrinos suelen impactar la Tierra. Sin embargo, si esta tasa fuera correcta, sería extremadamente improbable haber detectado al ultraneutrino registrado recientemente por KM3NeT. Así pues, ambos descubrimientos parecían estar “en tensión” según lo descrito por los científicos.
Caminos hacia nuevas confirmaciones
Kaiser y Klipfel comenzaron su análisis teórico calculando cuántas partículas deberían ser emitidas por un agujero negro en explosión. Todos los agujeros negros deben irradiar lentamente con el tiempo; cuanto más grande es un agujero negro, más frío está y menor es la energía emitida mientras se evapora lentamente. Por otro lado, los pequeños agujeros negros primordiales serían muy calientes y emitirían partículas energéticas justo antes desaparezcan completamente.
"No tenemos esperanza alguna para detectar radiación Hawking proveniente de agujeros negros astrofísicos", dice Klipfel. "Así que si alguna vez queremos verlo, los pequeños agujeros negros primordiales son nuestra mejor oportunidad".
Pensando en futuras investigaciones
Los investigadores estimaron cuántas partículas debería emitir un agujero negro dado su temperatura y masa decreciente. En su último nanosegundo estiman que cuando un agujero negro sea más pequeño que un átomo debería liberar una última ráfaga incluyendo aproximadamente 1020 neutrinos —alrededor de sextillones— con energías cercanas a 100 peta-electrón-volts (similar a lo observado por KM3NeT).
A partir ahí calcularon cuántas explosiones debieran ocurrir dentro nuestra galaxia para explicar los resultados reportados por IceCube. Encontraron que aproximadamente 1,000 agujeros negros primordiales deberían estar explotando cada año dentro cada cubic parsec (equivalente a unos 3 años luz).
A partir esto determinaron qué distancia tendría que estar ocurriendo una explosión para permitir que algunos neutrinoss altamente energéticos llegaran hasta nosotros produciendo así el evento reciente observado por KM3NeT: encontraron que dicha explosión tendría lugar relativamente cerca —a unas 2000 veces más lejos entre nuestro planeta y el Sol.
Perspectivas emocionantes para futuros estudios
Aunque existe solo un pequeño 8% chance para tal explosión ocurra lo suficientemente cerca cada 14 años como para impactar suficientes ultra-altos neutrinoss sobre nuestro planeta; “no es muy alto pero está dentro del rango suficiente como para considerarlo seriamente —especialmente porque hasta ahora no se ha encontrado otra explicación capaz tanto para esos neutrinoss muy altos como para este sorprendente evento ultraltaenergético”, concluye Kaiser.
A medida que avancen las investigaciones teóricas será necesario realizar muchas más detecciones sobre partículas incluyendo neutrinos con “energías insanas”. Así podremos construir mejores estadísticas respecto tales eventos raros.
"En ese caso podríamos usar toda nuestra experiencia e instrumentos combinados para intentar medir esa aún hipotética radiación Hawking", expresa Kaiser entusiasmado. "Eso proporcionaría evidencia sin precedentes sobre uno pilares fundamentales acerca nuestros conocimientos sobre los agujeros negros —y podría explicar estos eventos anómalos relacionados con esos neutrinoss altamente energéticos también".
A su vez,otros esfuerzos para detectar PBHs cercanos podrían fortalecer aún más esta hipótesis acerca estos objetos inusuales constituyendo mayor parte o totalidad materia oscura.
Dicha investigación fue apoyada parcialmente por National Science Foundation (NSF), Centro Teórico Física MIT – A Leinweber Institute y Departamento Energía Estados Unidos.
Si (
No(
