Calentador cósmico: cómo los agujeros negros primordiales reescriben la velocidad del Universo ✛
El Universo se enfriaba como una bañera gigante después de un comienzo caliente. Unos 400 000 años después del Big Bang, el hidrógeno ya estaba listo para recombinarse — los protones atrapaban electrones para formar átomos neutros. Pero en algún lugar de esa agua oscura seguía goteando un grifo. El papel de las gotas lo desempeñaban los agujeros negros primordiales — objetos microscópicos con masas del orden de 10⁻¹⁸ masas solares, remanentes de los primeros instantes del cosmos. Estos agujeros negros se evaporaban lentamente, emitiendo energía mediante el proceso cuántico predicho por Stephen Hawking, y cada una de esas gotas añadía calor al gas en enfriamiento. Incluso las gotas raras retrasaban notablemente el momento en que el Universo se volvió transparente a la luz — ese mismo momento que está impreso en el fondo cósmico de microondas.
Este retraso en la recombinación podría resolver un antiguo enigma: la tensión de Hubble. Los dos métodos más precisos para medir la velocidad de la expansión del Universo arrojan números diferentes. Adam Riess y su equipo, observando cefeidas y supernovas en galaxias cercanas, obtienen unos 73 km/s/Mpc. El satélite Planck, en cambio, escudriña la luz antigua y deduce a partir de ella 67,4 km/s/Mpc. La discrepancia es de casi el 9% — demasiado grande para un error aleatorio. Pero si los agujeros negros primordiales calentaron el gas, la superficie de última dispersión, de donde proviene el fondo cósmico de microondas, se desplaza. Y con ella, el valor calculado de H₀. El calor de los agujeros negros no empuja a las galaxias más rápido — cambia la calibración de nuestro termómetro cósmico.
Los astrofísicos Batten y Mould probaron la idea modificando el código recfast, que calcula la historia térmica del Universo. Agregaron a las ecuaciones el calentamiento por evaporación de PBH en el rango de masas 10⁻²⁰–10⁻¹⁷.⁵ M☉, cuando la radiación de Hawking es más energética. El mecanismo es simple: la radiación gamma dura se dispersa en los electrones, transfiriendo rápidamente energía al gas. Se tienen en cuenta las pérdidas por neutrinos, que se llevan hasta la mitad de la energía. Los agujeros más ligeros (<10⁻¹⁹ M☉) se evaporan antes de la época de nucleosíntesis primordial y están limitados por sus observaciones. La eficiencia casi no depende de la energía del fotón, por lo que incluso una modesta fracción de agujeros en la materia oscura tiene un efecto notable. Si solo el 0,01% de la materia oscura consiste en PBH, la superficie de última dispersión se desplaza en Δz ≈ 13 — esto aumenta H₀ en un 1,8%. Y una fracción del 0,1% con una determinada función de masas desplaza z en 64 y eleva H₀ en un 8,9%, eliminando por completo la discrepancia. Sin embargo, una concentración demasiado alta de agujeros — más del 1% de la materia oscura — reionizaría todo el hidrógeno, y eso no se observa. Los PBH más masivos, que sobreviven hasta la época de las primeras estrellas, quedan descartados por las líneas de absorción del gas intergaláctico.
Toda esta historia da un vuelco a la visión del problema: quizás la clave de la tensión de Hubble no reside en una nueva física de la energía oscura, sino en la composición de la materia oscura. Si los agujeros negros primordiales constituyen al menos una pequeña fracción de ella, entonces la deducción de H₀ a partir del fondo cósmico de microondas pierde fiabilidad calibradora. Las mediciones locales para z ≲ 1 resultan más limpias — no dependen de las propiedades no gravitacionales del componente oscuro. La bañera del Universo temprano resulta sensible a cada gota extra. Por delante están el refinamiento de los factores de cuerpo gris, que atenúan el flujo, y un análisis a gran escala variando la cosmología mediante métodos de Montecarlo. La búsqueda del fondo gamma y la señal de aniquilación de positrones en la Galaxia ayudará a reforzar la hipótesis o a descartarla. Así, los pequeños agujeros negros de la infancia del cosmos se hacen notar hoy — con gotas que desplazaron el momento de transparencia de la bañera universal.
El cambio de temperatura del gas alrededor de un PBH evaporado no depende de su masa inicial: un agujero más masivo simplemente está rodeado de una cantidad proporcionalmente mayor de gas. Es como un tronco grande que, al quemarse por completo, cede tanto calor por unidad de masa a un litro de agua como una astilla pequeña.
La idea de los agujeros negros primordiales como fuente de energía aparece en la novela de Greg Egan «Llama eterna», donde los agujeros negros en evaporación se utilizan como arma. En el relato de Stephen Baxter «Un instante», la explosión de un agujero negro primordial amenaza la Tierra. En este escenario, sin embargo, estos agujeros actúan como calentadores cósmicos que afectan a todo el universo.