Agujeros negros primordiales: la pista de una quinta dimensión
Diminutos agujeros negros nacidos en los albores del cosmos podrían seguir existiendo gracias a una dimensión espacial oculta. Un nuevo estudio teórico explora cómo esa dirección invisible cambiaría su destino y podría explicar un enigmático neutrino detectado en el Mediterráneo.
Por Enrique Coperías, periodista científico
Representación conceptual de un agujero negro en un espacio con una dimensión adicional. El modelo de la dimensión oscura propone que esa dirección, compactada a una escala del orden de un micrómetro, modificaría el comportamiento de la gravedad en objetos suficientemente pequeños. Cortesía: IA-DALL-E / RexMolón Producciones
Puede que el universo esconda una dirección que nunca hemos recorrido. Además de las tres dimensiones del espacio y del tiempo, algunos físicos proponen una dimensión espacial adicional, tan discreta que pasaría inadvertida en nuestra experiencia cotidiana. En ese escenario de una quinta dimensión, podrían campar a sus anchas unos agujeros negros diminutos que nacieron en los primeros instantes del cosmos.
Los astrónomos los conocen como agueros negros primordiales, unos objetos hipotéticos que se habrían formado por el colapso de regiones muy densas del universo temprano, antes de que se concibieran las primeras estrellas.
Una nueva investigación plantea ahora que, bajo determinadas condiciones, esos objetos cósmiscos tendrían que comportarse como agujeros negros de cinco dimensiones. La diferencia cambiaría su evolución y abriría una posibilidad sugerente: algunos de ellos podrían seguir existiendo después de casi 14.000 millones de años.
La investigación teórica, publicada en la revista Physical Review D, la firman Luis A. Anchordoqui, de la Universidad de la Ciudad de Nueva York; Alek Bedroya, de la Universidad de Princeton; y Dieter Lüst, astrofísico vinculado al Instituto Max Planck de Física y a la Universidad Ludwig Maximilian de Múnich. Su propuesta parte de la llamada dimensión oscura, un marco teórico todavía sin confirmación experimental. Dentro de ese modelo, estos agujeros negros se evaporarían más despacio y algunos podrían sobrevivir desde los albores del cosmos (la edad del universo está estimada en 13.800 millones de años).
La propuesta de los tres astrofísicos conecta tres preguntas, todas ellas apasionantes:
1️⃣ Cómo nacieron los primeros agujeros negros.
2️⃣ Qué podría constituir parte de la materia oscura.
3️⃣ Cuántas dimensiones tiene el cosmos.
Su interés reside en las consecuencias que extrae de un escenario hipotético. El estudio no demuestra que exista una quinta dimensión ni confirma la existencia de agujeros negros primordiales.
El origen de los agujeros negros primordiales
Estos objetos tendrían un origen distinto al de los agujeros negros que nacen cuando mueren estrellas masivas. En el universo recién nacido, una región suficientemente densa podría haberse hundido bajo su propia gravedad. El resultado sería una población de agujeros negros anterior a las primeras estrellas, con masas que dependerían de las condiciones de su nacimiento.
Aunque su existencia sigue siendo una hipótesis, los agujeros negros primordiales despiertan un enorme interés entre los científicos, porque podrían conservar información sobre etapas del cosmos que apenas podemos explorar. También figuran entre los candidatos a explicar parte de la materia oscura, cuya presencia inferimos por sus efectos gravitatorios sobre las galaxias y otras estructuras del cosmos.
➡️ «Cualquier reliquia formada en el universo temprano que se comporte como materia oscura ofrece una posible ventana a la cosmología primitiva», escriben los autores del estudio.
La radiación de Hawking haría que los agujeros negros perdieran masa hasta evaporarse. Según el modelo estudiado, los de cinco dimensiones podrían hacerlo más lentamente, permitiendo que algunos sobrevivieran durante los 13.800 millones de años de historia del universo. Ilustración conceptual. Cortesía: IA-Gemini / RexMolón Producciones
Qué significa que un agujero negro tenga cinco dimensiones
Para entender la propuesta de Anchordoqui, Bedroya y Lüst conviene aclarar que, en este marco teórico, cinco dimensiones significa cuatro dimensiones espaciales y una temporal. La dirección espacial adicional estaría compactada, con un tamaño del orden de un micrómetro: una milésima de milímetro. Sería diminuta a escala humana, aunque relativamente grande frente a otras dimensiones adicionales propuestas en física teórica.
Una analogía ayuda a imaginarlo. Visto desde lejos, un cable muy fino parece una línea. Una hormiga puede avanzar a lo largo del cable y también rodearlo: accede a una dirección que el observador distante no distingue. La dimensión extra quedaría igualmente oculta a nuestra escala. Un agujero negro suficientemente pequeño sería sensible a ella y requeriría una descripción gravitatoria diferente.
En el modelo de la dimensión oscura, las partículas y fuerzas conocidas, salvo la gravedad, quedarían confinadas a una especie de superficie llamada brana. La gravedad podría propagarse por el espacio más amplio que incluye la dimensión adicional.
La dimensión oscura: una hipótesis sobre la gravedad
El punto de partida de la nueva dimensión es el programa del pantano o swampland, que busca distinguir las teorías compatibles con una descripción cuántica de la gravedad de otras que solo parecen coherentes. Sus criterios son conjeturas teóricas, no leyes verificadas experimentalmente.
Dentro de ese marco, el diminuto valor observado de la constante cosmológica motiva la hipótesis de una dimensión espacial adicional relativamente grande.
Hemos de tener presente que la constante cosmológica es un término de las ecuaciones de la relatividad general de Einstein que, en el modelo cosmológico más utilizado, representa una energía asociada al propio vacío. Esa energía mantiene su densidad mientras el espacio se expande y permite explicar por qué la expansión del universo se está acelerando. Es una posible descripción de la llamada energía oscura. El gran enigma es su magnitud: aunque su efecto resulta decisivo a escala cósmica, su valor es extraordinariamente pequeño comparado con las escalas naturales de la física fundamental. Comprender por qué es tan reducido sigue siendo uno de los grandes desafíos de la física.
El modelo de la dimensión oscura relaciona ese pequeño valor con la existencia de una dirección espacial adicional. Los autores estudian qué consecuencias tendría para la formación de agujeros negros primordiales.
Cómo podrían formarse estos agujeros negros
El trabajo revisa tres mecanismos: la inflación, la transiciones de fase y las cuerdas cósmicas. Los modelos inflacionarios considerados recurren a variaciones de densidad producidas durante una expansión extraordinariamente rápida del universo temprano. Sin embargo, los tres investigadores encuentran tensiones entre esos modelos y los criterios de gravedad cuántica que adoptan. Por eso concentran el análisis en las otras dos vías.
Transiciones de fase: concentraciones de energía que colapsan
Una transición de fase puede compararse, con cautela, con el cambio del agua en hielo: al enfriarse, un sistema reorganiza su estado. En el universo primitivo, determinadas transformaciones podrían crear concentraciones de energía capaces de hundirse bajo su propia gravedad.
En las condiciones analizadas, los agujeros negros resultantes no conservarían una configuración efectivamente cuatridimensional. La llamada inestabilidad de Gregory-Laflamme los llevaría a adoptar una estructura de cinco dimensiones. Mantenerlos en la descripción habitual exigiría introducir física adicional a bajas energías que el estudio considera poco plausible.
Cuerdas cósmicas: lazos que se contraen
Por su parte, las cuerdas cósmicas son hipotéticos defectos asociados a procesos del universo temprano, comparables a las imperfecciones que quedan en un material cuando cambia de estado. Son distintas de las cuerdas de la teoría de cuerdas. Algunos de esos filamentos podrían formar lazos y contraerse hasta concentrar suficiente energía para originar un agujero negro.
El artículo analiza cuerdas relacionadas con unas partículas hipotéticas llamadas axiones. «Concluimos que los agujeros negros primordiales formados mediante el colapso de cuerdas cósmicas serán siempre agujeros negros de cinco dimensiones», afirman los autores. Ese siempre se refiere al modelo estudiado y sus supuestos; no es una conclusión aplicable a todos los agujeros negros.
El colapso de lazos de cuerdas cósmicas —hipotéticos filamentos del universo temprano— podría originar agujeros negros primordiales. Estos objetos habrían nacido antes de las primeras estrellas y podrían contribuir a la materia oscura, aunque su existencia sigue sin confirmarse. Ilustración conceptual. Crédiro: IA-Grok / RexMolón Producciones
Por qué podrían sobrevivir hasta hoy
La quinta dimensión modificaría además su esperanza de vida de estos objetos. Según la predicción de Stephen Hawking, los agujeros negros pueden emitir radiación y perder masa. Los más pequeños suelen evaporarse antes. Pero, dentro de este modelo, los de cinco dimensiones se evaporarían más lentamente que sus equivalentes de cuatro.
Anchordoqui, Bedroya y Lüst encuentran que algunos de ellos, nacidos de cuerdas cósmicas, podrían tener vidas comparables a la edad actual del universo, dy dependería de su masa y de las partículas disponibles para emitir.
«Con un número suficientemente grande de especies de cinco dimensiones, se pueden encontrar fácilmente escenarios en los que la vida del agujero negro sea comparable a la edad actual del universo», explican los investigadores.
Esas especies son los tipos de partículas del modelo que podrían intervenir en la evaporación. Su número influiría en cuándo desaparecerían los agujeros negros. Algunos podrían estar alcanzando ahora ese desenlace y emitiendo partículas muy energéticas.
El neutrino de KM3NeT: una posible conexión, aún sin demostrar
Aquí es donde aparece una conexión con una observación real. El 13 de febrero de 2023, el detector submarino ARCA, del observatorio KM3NeT, registró en el Mediterráneo un suceso atribuido a un neutrino cósmico cuya energía se estimó en unos 220 petaelectronvoltios. El hallazgo se anunció en febrero de 2025 en la revista Nature.
«Los neutrinos son una de las partículas elementales más enigmáticas. No tienen carga eléctrica, poseen una masa casi nula e interactúan de forma extremadamente débil con la materia —explica en RexMolón Rosa Coniglione, portavoz adjunta del KM3NeT en el momento de la detección e investigadora del Instituto Nacional de Física Nuclear (INFN), en Italia. Y continúa—: Son mensajeros cósmicos únicos, capaces de proporcionarnos información invaluable sobre los procesos más energéticos del universo y permitirnos explorar sus confines más remotos».
Los autores exploran si la evaporación de un agujero negro primordial de cinco dimensiones podría explicar ese acontecimiento. La conexión exige resolver dificultades: la falta de una señal luminosa de alta energía asociada y la ausencia de un aumento previo de neutrinos de menor energía. Para ello consideran mecanismos con partículas capaces de propagarse por la dimensión adicional.
La observación del neutrino es real; su asociación con estos agujeros negros es una hipótesis. Encontrar señales que permitan distinguir esta explicación de otras pondría a prueba una posibilidad ambiciosa: que partículas llegadas del cosmos revelen tanto su historia más remota como una dirección del espacio que todavía desconocemos.▪️(6-octubre-2026)
⏱️ LO MÁS IMPORTANTE DEL ESTUDIO, EN 30 SEGUNDOS
- Qué se investigó: la formación y evaporación de agujeros negros primordiales en el modelo de la dimensión oscura.
- Qué se concluye: bajo los supuestos analizados y salvo física exótica adicional a bajas energías, los mecanismos viables conducirían a objetos de cinco dimensiones.
- Por qué importa: su evaporación más lenta permitiría que algunos sobrevivieran hasta la actualidad.
- Qué falta: observaciones que confirmen esos objetos y permitan comprobar si existe la dimensión adicional.
Fuente: Luis A. Anchordoqui, Alek Bedroya and Dieter Lüst. Primordial black holes are five dimensional. Physical Review D (2026). DOI: https://doi.org/10.1103/g12h-93th
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