Pequeños Agujeros Negros Primordiales Implicados en la Formación de Elementos Pesados

Nuevas observaciones indican que los agujeros negros primordiales, que a menudo se consideran objetos especulativos o hipotéticos, pueden ser responsables de más de un par de fenómenos cósmicos inexplicables y misteriosos. Las observaciones de cuásares del espacio profundo -objetos extremadamente luminosos con agujeros negros supermasivos muy activos en sus centros- muestran que en menos de 100.000 años estos agujeros negros ya habían alcanzado masas de mil millones de soles. Esto es demasiado rápido para que se hayan formado a partir de la visión errónea convencional de "engullir" el material que cae en su ineludible horizonte. Además, la última detección de ondas gravitacionales demuestra la existencia de agujeros negros con rangos de masa medios que no se esperaban como resultado del colapso estelar. Como lo demuestra la observación de una "falla masiva", que muestra que la comprensión estándar de las supernovas y de la formación de agujeros negros puede no estar aún completamente comprendida.

Estas y otras observaciones empiezan a reconstruir un patrón según el cual los agujeros negros, concretamente los agujeros negros primordiales, pueden ser responsables de la formación de diversas estructuras cosmológicas y fenómenos de alta energía, desde los cuásares hasta las galaxias, y potencialmente la fuente de la llamada materia oscura. Aunque se sabe que, tras el Big Bang, la densidad del universo fue suficiente para producir una amplia gama de agujeros negros primordiales -sólo hay que pensar en toda esa energía confinada en un volumen extremadamente pequeño-, esta posibilidad se ha ignorado en gran medida.

^{Imagen: Fuller et al. (primordial black holes and r-process Nucleosynthesis) proponen un modelo para la síntesis de elementos pesados en el que una estrella de neutrones en rápida rotación es tragada desde el interior por un diminuto agujero negro. La estrella deformada centrífugamente, mostrada en sección transversal, pierde una masa considerable en su ecuador a medida que gira y el momento angular se transfiere hacia el exterior. Los núcleos atómicos pesados, como el oro y el platino, pueden formarse a través del proceso-r en la materia rica en neutrones que es expulsada de la estrella en implosión.}

En un tiempo de Planck -aproximadamente 10^-43 segundos- tras el Big Bang, se habrían formado innumerables agujeros negros de masa de Planck -de 10^-5 gramos-; en un segundo se habrían formado agujeros negros primordiales de 10.000 masas solares. De tal manera que los agujeros negros pueden estar implicados en todo, desde la bariogénesis (formación de la materia) hasta la formación galáctica y estelar. Ahora, un nuevo estudio aborda otro misterio pendiente con los agujeros negros primordiales: el enigma de explicar de dónde proceden los elementos pesados

El modelo convencional de síntesis termonuclear estelar, que no está del todo delineado en este momento y que puede ser revolucionado por la comprensión de la dinámica de los agujeros negros, puede explicar la formación de elementos hasta el hierro, compuesto por 56 nucleones. Los elementos más pesados, como el oro, el platino y el uranio, no pueden explicarse mediante el colapso estelar y la fusión termonuclear. Los modelos recientes han incorporado las estrellas de neutrones, que, como su nombre indica, son aglomeraciones incomprensiblemente densas de núcleos compactados en un diminuto núcleo estelar (una cucharada de una estrella de neutrones tiene una masa equivalente a tres mil millones de toneladas). Debido al denso empaquetamiento de los nucleones, si hubiera alguna forma de que fueran expulsados por las estrellas de neutrones, formarían fácilmente elementos más pesados que el hierro. El único problema es explicar cómo se expulsaría ese material.

Una posibilidad es la colisión entre estrellas de neutrones, un acontecimiento poco frecuente que explicaría por qué algunos lugares, como las galaxias enanas, presentan una notable escasez de elementos del "proceso-r". Ahora, en un artículo publicado en la revista Physical Review Letters, George Fuller, astrofísico teórico y profesor de física que dirige el Centro de Astrofísica y Ciencias del Espacio de la UC San Diego, ha propuesto un novedoso mecanismo que implica la fusión de una estrella de neutrones con un pequeño agujero negro primordial para describir cómo puede expulsarse material del denso núcleo estelar.

En raras ocasiones, cuando una estrella de neutrones y un pequeño agujero negro primordial se fusionan, el pequeño agujero negro empieza a consumir la estrella de neutrones, desestabilizándola de tal manera que empezará a expulsar materia de neutrones fría, que puede descomprimirse, calentarse y someterse a la nucleosíntesis de los elementos más pesados.

"Son un despliegue distintivo de luz infrarroja (a veces denominado "kilonova"), una emisión de radio que puede explicar las misteriosas ráfagas de radio rápidas procedentes de fuentes desconocidas en lo más profundo del cosmos, y los positrones detectados en el centro galáctico mediante observaciones de rayos X", dijo Fuller. "Cada uno de ellos representa misterios de larga data. Es realmente sorprendente que las soluciones de estos fenómenos aparentemente no relacionados, puedan estar conectadas con el violento final de las estrellas de neutrones a manos de diminutos agujeros negros".

Más información en: https://physics.aps.org/articles/v10/89