El universo, desde su origen en el Big Bang, ha sido un vasto escenario de eventos cósmicos que continúan desafiando nuestra comprensión. Entre estos fenómenos se encuentran los agujeros negros, regiones del espacio donde la gravedad es tan intensa que ni siquiera la luz puede escapar. Si bien los agujeros negros supermasivos en el centro de las galaxias son relativamente conocidos, una nueva investigación sugiere que un tipo más antiguo y esquivo de agujero negro podria existir, conocido como agujero negro primordial (PBH, por sus siglas en inglés), podría ser la clave para resolver algunas de las incógnitas más desconcertantes del universo en expansión.

En un artículo reciente, un equipo de investigadores del Observatorio Astronómico de Córdoba y de IATE-Conicet, ha explorado cómo los PBH podrían ayudar a explicar la presencia de galaxias más masivas de lo esperado en altos desplazamientos al rojo (cuando el Universo era aún muy joven) . Estos descubrimientos fueron posibles gracias al Telescopio Espacial James Webb, una herramienta revolucionaria en la astronomía moderna, que ha permitido observar el universo en sus etapas más tempranas con una precisión sin precedentes.

La cosmología moderna se basa en la teoría del universo en expansión, donde las galaxias se alejan unas de otras mientras el cosmos se expande desde el Big Bang. Según el modelo cosmológico estándar, conocido como ΛCDM (Lambda Cold Dark Matter), la formación de estructuras en el universo, como galaxias y cúmulos de galaxias, es impulsada por la materia oscura fría y la energía oscura. Sin embargo, las observaciones recientes del Telescopio James Webb han revelado la existencia de galaxias más masivas y compactas de lo esperado en etapas tan tempranas del universo que desafían las predicciones de este modelo.

Motivado por estas discrepancias, el equipo de investigación ha propuesto una modificación en el espectro de potencia de la materia oscura fría, incorporando los efectos de los PBH. Estos agujeros negros primordiales, que podrían haberse formado en el universo muy temprano debido modelos alternativos de inflacion, podrían representar una pequeña fracción de la materia oscura total, pero con un impacto significativo en la formación galáctica.

Utilizando el código de simulación SWIFT que permite modelar distintos universos, los investigadores simularon dos escenarios. En el primero, se consideró el modelo ΛCDM tradicional, basado en los parámetros cosmológicos del Planck 2018. En el segundo, se incluyó la influencia de los PBH, asumiendo que constituyen un 0.5% de la materia oscura y poseen distintas masas que van del orden de masas planetarias, hasta objetos muy masivos del orden de 10⁸ masas solares Los resultados de estas simulaciones mostraron que la inclusión de PBH permite reproducir la abundancia observada de galaxias masivas a altos desplazamientos al rojo, algo que el modelo estándar no logra sin valores de eficiencia de formación estelar poco realistas.

Patricio Colazo, autor principal de esta investigación ilustra este modelo con una analogía sencilla pero poderosa: «Imaginemos al universo como un niño al que hemos observado crecer desde los 10, 11, 12 años hasta su edad actual, gracias a los instrumentos de los que disponíamos. Con esta información, podemos teorizar cómo era a los 8 o 9 años. Sin embargo, con la llegada de este nuevo telescopio, pudimos ver que, a los 8 y 9, el universo había crecido más de lo que anticipábamos. Nuestra investigación se asemeja a introducir una ‘vitamina de crecimiento’ en forma de pequeños agujeros negros primordiales (PBH) en las primeras etapas, como en su primer año de vida. De esta manera, logramos que el universo simulado a los 8 y 9 años tuviera una evolución similar al que observamos, sin alterar los años venideros. Es como si las galaxias en el universo hubieran dado un estirón de repente.»

«Este trabajo, además, sugiere que los PBH podrían no solo explicar la presencia de estas galaxias, sino también actuar como semillas para los agujeros negros supermasivos que observamos en el universo actual logrando solucionar al mismo tiempo dos problematicas del modelo actual», señaló Colazo

El Telescopio James Webb ha sido crucial para estas observaciones, proporcionando imágenes de una nitidez y profundidad sin precedentes, que han permitido a los científicos retroceder en el tiempo hasta los primeros cientos de millones de años después del Big Bang. Gracias a este instrumento, la comunidad científica está comenzando a reevaluar algunas de las suposiciones más fundamentales sobre la formación y evolución de las estructuras en el universo.

Ejemplo de formación de galaxias en simulaciones Cosmológicas. Credito: TNG Simulations

Este estudio es un ejemplo de cómo la investigación en cosmología está evolucionando rápidamente, impulsada por nuevas observaciones y tecnologías, y cómo las teorías que alguna vez se consideraron marginales, como la existencia de PBH, pueden ofrecer soluciones a problemas persistentes en la comprensión del cosmos. Este trabajo, no solo contribuye a nuestra comprensión del universo temprano, sino que también abre nuevas vías de investigación para explorar el papel de los PBH en la evolución del cosmos.

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Fotografía de portada: El telescopio espacial James Webb de la NASA ha producido la imagen infrarroja más profunda y nítida del universo lejano hasta la fecha. Conocida como el primer campo profundo de Webb, la imagen del cúmulo de galaxias SMACS 0723 rebosa detalles. Miles de galaxias -incluidos los objetos más tenues jamás observados en el infrarrojo- han aparecido por primera vez en la vista captada por Webb. Esta porción del vasto universo tiene aproximadamente el tamaño de un grano de arena sostenido a la distancia de un brazo extendido por una persona en tierra.NASA, ESA, CSA y STScI