Supercolisionadores cósmicos: ¿son los agujeros negros la próxima frontera de la física de partículas?

Algunos agujeros negros podrían ser los colisionadores de partículas más potentes del universo, superando incluso al gran colisionador de hadrones. Un nuevo estudio sugiere que estos titanes cósmicos podrían revelar pistas sobre la materia oscura y los neutrinos más energéticos jamás detectados.

Por Enrique Coperías

Ilustración artística de un agujero negro supermasivo, miles de millones de veces más masivo que el Sol, como los que se encuentran en el centro de muchas galaxias. Su rápida rotación y potentes campos magnéticos pueden lanzar enormes chorros de plasma al espacio, un proceso que podría generar efectos similares a los de los supercolisionadores creados por el ser humano. Cortesía: Roberto Molar Candanosa / Johns Hopkins University

Científicos han descubierto que algunos agujeros negros supermasivos podrían funcionar como supercolisionadores naturales, capaces de generar colisiones de partículas tanto o más potentes que las de aceleradores humanos, como el gran colisionador de hadrones del CERN, cerca de Ginebra, o el Future Circular Collider, también del CERN.

Estas colisiones, que ocurren en el entorno extremo de discos de acreción retrógrados cerca del horizonte de sucesos, podrían ofrecer a los físicos nuevas pistas sobre la materia oscura, los neutrinos de alta energía y otros componentes fundamentales del universo.

El trabajo, liderado por los astrofísicos Andrew Mummery, de la Universidad de Oxford) y Joseph Silk, de la Universidad Johns Hopkins, la Universidad de Oxford y el Instituto de Astrofísica de París, describe y profundiza en un fenómeno que podría convertir a ciertos agujeros negros en auténticos supercolisionadores naturales.

Estos sistemas serían capaces de generar colisiones de partículas con energías del orden de decenas a cientos de teraelectronvoltios (TeV), igualando —o incluso superando— las capacidades planificadas para futuros colisionadores de partículas terrestres, como el citado Future Circular Collider (FCC) del CERN, actualmente en fase de diseño.

El protagonista: un disco de acreción retrógrado

Todo comienza con un tipo particular de agujero negro: uno de tipo Kerr, que gira sobre sí mismo a velocidades cercanas al máximo teórico permitido por la relatividad general. Según Mummery y Silk, si una de estas bestias cósmicas ha sido alimentada durante una etapa previa de actividad —por ejemplo, absorbiendo gas interestelar o destruyendo estrellas— puede alcanzar una rotación casi extrema.

Cuando un nuevo flujo de materia vuelve a acercarse al agujero negro, este material forma un disco de acreción. Si por casualidad gira en dirección contraria al giro del agujero negro, lo que se conoce como un flujo retrógrado, el escenario se vuelve especialmente interesante. En este caso, la materia debe acercarse mucho más al horizonte de sucesos antes de perder su órbita estable.

En ese proceso, las partículas del disco ganan una enorme cantidad de energía gravitacional mientras se precipitan en espiral hacia el agujero negro.

Aquí entra en juego un efecto conocido como el fenómeno Bañados-Silk-West (BSW), que predice que las colisiones de partículas en las cercanías del horizonte de agujeros negros en rotación pueden alcanzar energías teóricamente ilimitadas.

Recreación del túnel para el Future Circular Collider (FCC). Este, futuro sucesor del LHC, será un colisionador de partículas de 91 km previsto para la década de 2040. Los físicos creen que estas máquinas podrían complementar lo que puedan ofrecernos los agujeros negros, o viceversa. Imagen: PIXELRISE

¿Pueden los agujeros negros funcionar como colisionadores de partículas?

Aunque hasta ahora esto se consideraba una curiosidad teórica de difícil aplicación real, el nuevo estudio propone un mecanismo astrofísico perfectamente plausible para realizarlo: colisiones entre partículas del disco en caída libre y otras que provienen desde el espacio y caen desde el infinito.

«La esperanza de colisionadores como el LHC es generar partículas de materia oscura —explica Joseph Silk, coautor del estudio. Y añade—: Pero aún no hemos encontrado ninguna evidencia de ello. Por eso se está discutiendo construir una versión más potente, un supercolisionador de nueva generación. Sin embargo, mientras invertimos 30.000 millones de dólares y esperamoscuarenta años para construirlo, la naturaleza podría estar ofreciéndonos una alternativa gratuita en los agujeros negros supermasivos».

En la Tierra, colisionadores como el gran colisionador de hadrones o LHC aceleran protones y otras partículas subatómicas a velocidades cercanas a la de la luz, para de este modo provocar choques que desvelen los secretos más profundos de la materia. Pero estos dispositivos son costosos, gigantescos —el LHC, por ejemplo, es un túnel circular de 27 km—, y sus resultados no siempre garantizan descubrimientos.

En cambio, un agujero negro, gracias a su inmenso campo gravitatorio y su rotación, puede provocar colisiones equivalentes, pero sin necesidad de estructuras físicas.

«Algunos agujeros negros giran tan rápido que liberan chorros de plasma colosales, probablemente alimentados por la energía de su giro y el material que los rodea —señala Silk en un comunicado de la Johns Hopkins—. Estos eventos podrían reproducir los efectos de nuestros colisionadores, e incluso superarlos.”

¿Qué tipo de partículas se podrían detectar desde la Tierra?

Cuando las partículas aceleradas del disco chocan con otras que caen desde el espacio, algunas terminan desapareciendo dentro del agujero negro. Pero otras, por su dirección y momento, logran escapar del campo gravitacional, lanzadas como balas subatómicas a velocidades extremas. Son precisamente esas partículas escapadas las que podrían ser detectadas desde la Tierra.

«Hemos calculado cómo de energéticas pueden ser estas partículas, y serían tan poderosas como las generadas en un supercolisionador terrestre o más —explica Silk. Y añade—: No podemos precisar un límite superior, pero sí sabemos que estas colisiones naturales son capaces de dar resultados complementarios a lo que podemos lograr aquí en la Tierra».

Para detectarlas, bastaría con usar observatorios de neutrinos ya existentes, como el IceCube Neutrino Observatory en la Antártida o el telescopio submarino KM3NeT en el Mediterráneo. Este último fue precisamente el que detectó recientemente el neutrino más energético jamás registrado, con una energía de 220 PeV (petaelectronvoltios), en un evento denominado KM3-230213A.

Aunque aún es pronto para asegurar que estos neutrinos provienen de colisiones gravitacionales como las descritas en el estudio, es una hipótesis plausible. «Veríamos algo con una firma extraña, que tal vez proporcione evidencia de materia oscura —sugiere Silk—. Es un salto, pero es posible».

El 13 de febrero de 2023, el detector ARCA de KM3NeT registró el neutrino más energético jamás observado, con 220 PeV, muy por encima de lo que alcanza el LHC.

Un fenómeno natural, no un accidente raro

Una de las fortalezas del modelo propuesto por Mummery y Silk es que no requiere condiciones exóticas o improbables. La formación de discos de acreción retrógrados alrededor de agujeros negros de rotación extrema es perfectamente natural en muchas galaxias.

Además, estas regiones contienen átomos de todo tipo —hidrógeno, helio, oxígeno, etc.—, lo que permite una rica variedad de posibles productos de colisión.

Según los cálculos del estudio, el flujo de partículas que podría generarse en estos sistemas es enorme: del orden de 10 a la 44 partículas por segundo para un agujero negro de masa solar típica. Esto significa que, aunque los agujeros negros estén lejos, algunas de estas partículas podrían alcanzar nuestros detectores.

«La diferencia entre un supercolisionador y un agujero negro es que estos últimos están lejos. Pero aun así, estas partículas pueden llegarnos», afirma Silk.

Una vía para entender la materia oscura

Para Andrew Mummery, físico teórico de la Universidad de Oxford y coautor del trabajo, el hallazgo representa una confluencia emocionante entre la astrofísica y la física de partículas.

«Lo más fascinante es que esta es una predicción físicamente bien fundamentada: no es ciencia ficción. Los cálculos muestran que estas colisiones no solo son posibles, sino esperables en ciertos contextos naturales del universo», afirma este físico.

La implicación es profunda: en lugar de construir máquinas cada vez más grandes, podríamos mirar al cielo en busca de pistas. Estos supercolisionadores naturales serían de gran ayuda para resolver uno de los grandes misterios contemporáneos de la ciencia: la naturaleza de la materia oscura, ese componente invisible que representa la mayor parte de la masa del universo.

Apuesta complementaria, no sustitutiva

Por supuesto, nadie sugiere que abandonemos la investigación terrestre. Los aceleradores de partículas como el LHC o el futuro FCC tienen el mérito de proporcionar entornos controlados, repetibles y altamente precisos.

Sin embargo, el estudio de los agujeros negros como supercolisionadores puede ofrecer una vía complementaria: una manera de explorar energías extremas más allá de lo alcanzable en laboratorios humanos, y una ventana única a las condiciones físicas más extremas del cosmos.

En un contexto donde los recortes en financiación amenazan muchos proyectos de física de partículas, el universo podría estarnos dando una alternativa gratuita, aunque compleja de interpretar. Como concluye Silk, «puede que la próxima gran pista sobre los misterios del universo no venga de un túnel bajo tierra, sino del borde del abismo gravitacional más profundo que conocemos». ▪️

• Información facilitada por la Universidad Johns Hopkins

• Fuente: Andrew Mummery and Joseph Silk. Black Hole Supercolliders. Physical Review Letter (2025). DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.221401