Las ondas gravitacionales ofrecen un posible origen de la materia oscura en agujeros negros primordiales

¿Y si la materia oscura no estuviera hecha de partículas exóticas, sino de diminutos agujeros negros que siguen vivos desde el big bang? Un nuevo estudio sugiere que podríamos detectarlos escuchando las ondas que dejaron en el cosmos.

Por Enrique Coperías

Imagen artística de pequeños agujeros negros primordiales. Cortesía: Goddard Space Flight Center

En el vasto catálogo de enigmas cósmicos, hay uno que destaca por su persistencia y relevancia: ¿de qué está hecha la materia oscura? Aunque no podemos verla ni tocarla, sabemos que representa cerca del 85% de la materia del universo. Su presencia se delata por los efectos gravitatorios que ejerce sobre galaxias y cúmulos, pero su naturaleza concreta sigue escapando a los detectores.

Un estudio recién publicado por investigadores de varias instituciones japonesas, como el Observatorio Astronómico Nacional y la Universidad de Tokio, plantea una posibilidad audaz: esa materia oscura podría estar compuesta por agujeros negros primordiales (PBH, por sus siglas en inglés), formados en los primeros instantes tras el big bang.

Lo novedoso de la nueva investigación es cómo sus autores pretenden encontrarlos: escuchando el eco que dejaron en el tejido del espacio-tiempo, una forma de describir cómo el espacio y el tiempo están entrelazados y pueden deformarse por la presencia de masa o energía.

Agujeros negros, pero diminutos

Los agujeros negros primordiales son objetos teóricos que se habrían formado no por el colapso de estrellas, sino directamente a partir de fluctuaciones de densidad en el universo primitivo. Su existencia ha sido postulada durante décadas, pero una limitación física parecía descartarlos como candidatos viables a materia oscura: los más ligeros, según la teoría estándar, se habrían evaporado hace muchísimo tiempo, debido a un fenómeno cuántico conocido como radiación de Hawking.

Recordemos que la radiación de Hawking es un fenómeno cuántico propuesto por Stephen Hawking, según el cual los agujeros negros no son completamente oscuros, sino que emiten partículas por efectos cuánticos que suceden cerca de su horizonte de sucesos. Esta emisión provoca que pierdan masa lentamente, lo que significa que, con el tiempo, pueden evaporarse por completo.

«Pero ¿y si esa evaporación no ocurre como pensamos?», se preguntan los físicos Kazunori Kohri, Takahiro Terada y Tsutomu T. Yanagida, autores del artículo. Su trabajo, aún en revisión por pares, introduce una corrección radical a ese modelo.

La carga de la memoria

El nuevo enfoque parte de una idea sugerida por Gia Dvali, profesor de Física Teórica en la Universidad Ludwig Maximilian de Múnich: los agujeros negros no son objetos simples, sino sistemas cuánticos extremadamente complejos. Al perder masa, deben reorganizar una estructura interna que retiene una especie de memoria cuántica de su estado original.

Esa reconfiguración, argumentan los autores, cuesta una enorme cantidad de energía, lo que ralentiza el proceso de evaporación cuántica. A este fenómeno lo llaman efecto de carga de memoria.

Si esta hipótesis es correcta, los PBH con masas inferiores a 10¹⁰ gramos —que en el modelo estándar se evaporarían rápidamente— podrían persistir hasta hoy y formar parte del inventario de materia oscura del universo.

Ondas que nacen de la gravedad

¿Cómo se podrían detectar estos agujeros negros primordiales? La clave está en el momento mismo de su nacimiento. En el universo primitivo, ciertas regiones especialmente densas colapsaron para formar PBH. Ese colapso, a su vez, generó pequeñas ondulaciones en el espacio-tiempo: ondas gravitacionales.

El equipo ha calculado la intensidad y frecuencia de esas ondas gravitacionales inducidas. Según su modelo, los agujeros negros primordiales con masa de 10¹⁰ gramos producirían ondas con una frecuencia característica de unos 1.000 hercios y una intensidad bien definida: alrededor de 7 × 10⁻⁹ en las unidades que se manejan en física cosmológica.

Lo más interesante es que estas ondas, aunque difíciles de detectar, podrían estar al alcance de los nuevos interferómetros gravitacionales que se están construyendo, como el Cosmic Explorer en Estados Unidos y el Einstein Telescope en Europa. También podrían ser rastreadas por observatorios espaciales, como LISA, la antena de interferometría láser que la ESA lanzará a mediados de la próxima década.

Comparativa entre materia visible (rojo) y materia oscura (azul) en el universo. Las zonas más brillantes indican mayor densidad. Crédito: NASA, ESA and R. Massey (California Institute of Technology)

La fusión como prueba definitiva

Uno de los puntos fuertes del estudio es que la predicción es clara: si los PBH con efecto de memoria explican la materia oscura, las ondas gravitacionales asociadas deben tener una intensidad específica. Si se detectan ondas más intensas de lo previsto, se podría descartar el modelo. «Una señal solo un poco más fuerte implicaría demasiados agujeros negros, más de los que el universo puede albergar sin colapsar», explican los autores.

Para evitar este problema, contemplan escenarios alternativos, como procesos que diluyen la cantidad de agujeros negros primordiales tras su formación. Pero incluso esas opciones implicarían nuevas restricciones sobre cómo surgió la asimetría materia-antimateria en el universo.

Además de las ondas gravitacionales inducidas por su formación, los autores analizan otro posible rastro: las que surgirían de fusiones entre PBH. Estas fusiones generarían señales en frecuencias extremadamente altas —tan altas que hoy no podemos detectarlas— pero serían una huella inequívoca del modelo. En un futuro, si se desarrollan detectores capaces de alcanzar esos rangos, se podría confirmar de forma rotunda la existencia de estos objetos.

Ciencia con oído fino

El artículo plantea un cambio profundo en cómo entendemos los agujeros negros y, por extensión, la materia oscura. A través de cálculos detallados y simulaciones, los autores argumentan que los PBH podrían haber dejado una marca detectable en el cosmos. Y lo más prometedor: esa marca está escrita en ondas gravitacionales, un lenguaje que la ciencia empieza a comprender con soltura.

En un contexto donde las búsquedas de materia oscura han arrojado pocos resultados, esta vía ofrece una alternativa atractiva. Si se confirma, no solo resolvería un enigma cosmológico, sino que abriría una ventana a una nueva física, en la que la gravedad cuántica deja su impronta en el cielo.

Por ahora, solo queda escuchar con más atención. ◾️

• Fuente: Kazunori Kohri, Takahiro Terada, Tsutomu T. Yanagida. Induced gravitational waves probing primordial black hole dark matter with the memory burden effect. arXiv (2025). DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2409.06365