El último suspiro de un agujero negro primordial podría explicar un neutrino ultraenergético

Un neutrino fantasma de energía jamás vista atravesó el Mediterráneo en 2023. Ahora, un estudio del MIT sugiere que podría ser el estallido final de un agujero negro primordial, y quizá la primera pista tangible sobre la materia oscura.

Por Enrique Coperías

Ilustración artística de un diminuto agujero negro en la Vía Láctea (arriba a la derecha), capaz de emitir un estallido de partículas energéticas por efecto de la radiación de Hawking, algunas de las cuales llegarían a la Tierra (abajo a la izquierda). Este tipo de partículas ultrahenergéticas podrían explicar fenómenos cósmicos raros, como el neutrino de mayor energía jamás detectado. Cortesía: Imagen de Toby Gleason-Kaiser, realizada con SpaceEngine © Cosmographic Software LLC.

En febrero de 2023, un neutrino atravesó silenciosamente el detector submarino KM3NeT frente a las costas de Sicilia. Ese minúsculo visitante cósmico llevaba una energía descomunal: unos 220 petaelectronvoltios (PeV). Para hacerse una idea, equivale a la energía cinética de una pelota de tenis en juego… comprimida en una sola partícula elemental, un fantasma casi intangible que apenas interacciona con la materia.

La comunidad científica se quedó perpleja. Jamás se había registrado un neutrino tan energético. ¿De dónde podía venir? Ni los blázares más extremos, esos faros cósmicos que disparan chorros de partículas desde los núcleos de galaxias activas, parecen capaces de acelerarlos hasta tal magnitud.

El hallazgo abría un misterio. Y un equipo del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), en Estados Unidos, acaba de proponer una explicación tan audaz como elegante: el neutrino podría ser el último estallido de un agujero negro primordial, esos objetos hipotéticos nacidos en los albores del universo.

Neutrinos, las partículas fantasma

Los neutrinos son partículas extrañas. Apenas tienen masa, no tienen carga eléctrica y atraviesan la materia como si no existiera. Cada segundo, billones de ellos atraviesan nuestro cuerpo sin dejar huella. Detectarlos requiere gigantescos instrumentos bajo el hielo antártico, como el IceCube, o en las profundidades marinas, como el KM3NeT. De ahí que sean conocidas como unas partículas fantasma.

Desde 2011, el experimento de astrofísica de partículas IceCube, que se halla situado en la estación Amundsen-Scott del Polo Sur y compuesto por más de 5.000 módulos digitales ópticos suspendidos en un kilómetro cúbico de hielo enterrado en el subsuelo polar, ha captado neutrinos cósmicos con energías del orden de 1 a 6 PeV, procedentes de fuentes aún no del todo identificadas.

Algunos de estos neurtrinos se han vinculado con blázares, pero otros permanecen huérfanos. El neutrino de 2023, bautizado como el evento KM3-230213A, batió todos los récords: con sus 220 PeV estimados, supera en decenas de veces a los neutrinos cósmicos previamente registrados.

Los astrofísicos sabían que necesitaban pensar más allá de los aceleradores celestes convencionales. Y es ahí donde entran en escena los agujeros negros primordiales.

Qué son los agujeros negros primordiales

La idea de que el universo pudo engendrar agujeros negros microscópicos se remonta a los años sesenta y setenta, con trabajos de los astrofísicos Yakov Zeldóvich, Stephen Hawking y Bernard Carr. Según esas teorías, en las primeras fracciones de segundo tras el big bang las fluctuaciones de densidad pudieron ser tan extremas que ciertas regiones colapsaron bajo su propio peso, formando agujeros negros mucho más pequeños que los estelares.

Mientras que un agujero negro convencional nace del colapso de una estrella masiva y pesa varias veces el Sol, los agujeros negros primordiales podrían haber tenido masas equivalentes a un asteroide o incluso mucho menores. Esa diferencia es crucial, porque según predijo Hawking, los agujeros negros no son eternos: emiten radiación térmica —la famosa radiación de Hawking— que poco a poco los hace evaporarse. Cuanto menor es su masa, más rápido se calientan y más rápido se desintegran.

Un agujero negro primordial con masa inicial de unos 10^14 gramos —menos que una montaña— estaría agotando hoy, 13.800 millones de años después del big bang, los últimos instantes de su vida. Y lo haría en una explosión final, liberando una lluvia de partículas de altísima energía. Entre ellas, neutrinos.

Un estallido final como origen del neutrino

El trabajo de Alexandra Klipfel y David Kaiser, del Departamento de Física del MIT, y publicado en la revista Physical Review Letters, plantea precisamente eso, que el neutrino detectado en el fondo del mar Mediterráneo por la infraestructura de investigación europea KM3NeT pudo ser el producto de un agujero negro primordial que explotó en algún rincón cercano de la Vía Láctea.

«Resulta que hay un escenario en el que todo parece encajar, y no solo podemos demostrar que la mayor parte de la materia oscura [en este escenario] está compuesta por agujeros negros primordiales, sino que también podemos producir estos neutrinos de alta energía a partir de una explosión fortuita de un agujero negro primordial cercano —explica Klipfe en un comunicado del MIT. Y añade—: Es algo que ahora podemos intentar buscar y confirmar con diversos experimentos».

Los autores calcularon qué tipo de señales neutrínicas dejaría la evaporación de los agujeros negros primordiales en la llamada ventana de masa de asteroide (entre 10^17 y 10^23 gramos). En esa franja, los agujeros negros serían lo bastante longevos para sobrevivir hasta hoy, pero algunos estarían llegando al final de su existencia. Su explosión final emitiría neutrinos con energías comparables a las medidas por IceCube y KM3NeT.

Cerca de nuestro planeta

El modelo muestra que las decenas de neutrinos de varios petaelectronvoltios registrados en la última década por el IceCube son coherentes con un ritmo de explosiones de los agujeros negros primordiales repartidos por el halo de materia oscura de nuestra galaxia.

Y, dentro de esa misma distribución, existe una probabilidad no despreciable de que uno de esos estallidos ocurriera relativamente cerca de la Tierra, lo bastante próximo a nosotros como para generar el neutrino de 220 PeV visto por el detector europeo.

En números: con los datos actuales, la probabilidad de que desde 2011 hayamos presenciado al menos una de esas explosiones cercanas ronda el 7%. Puede parecer baja, pero en la física de eventos rarísimos es más que suficiente para tomárselo en serio.

Neutrinos, materia oscura y tensiones entre detectores

La hipótesis no solo ofrece un relato sugerente para el evento de KM3NeT. También alivia una tensión entre las observaciones de distintos detectores.

IceCube mide un flujo isotrópico de neutrinos en torno a 1 PeV que sugiere una cierta tasa de fuentes distribuidas por toda la galaxia. Pero si uno extrapola esos números a energías mayores, no encajan con la frecuencia que implicaría el solitario neutrino de 220 PeV. De hecho, las cifras parecían incompatibles.

La ventaja de los agujeros negros primordiales es que permiten combinar ambas piezas: la mayoría de neutrinos de petaelectronvoltios provendrían de explosiones repartidas por el halo de la Vía Láctea, generando un fondo difuso. Pero de vez en cuando, un agujero negro primordial explota más cerca y regala un neutrino excepcionalmente energético, como el de 2023.

Además, el escenario es compatible con los límites más estrictos impuestos por otros observatorios, como el experimento HAWC en México, que busca señales de rayos gamma de estos estallidos y no ha encontrado un exceso.

Relación con la materia oscura

El interés de este modelo va más allá de explicar un neutrino concreto. Los agujeros negros primordiales son desde hace tiempo candidatos a constituir parte o la totalidad de la materia oscura, esa sustancia invisible que multiplica por cinco la masa de la materia ordinaria en el cosmos.

Los cálculos de Klipfel y Kaiser muestran que, si la materia oscura estuviera formada en gran medida por agujeros negros primordiales con masas en torno a 2×10^17 gramos, el ritmo de explosiones actual sería compatible con los neutrinos observados.

Dicho de otro modo: el misterioso neutrino mediterráneo podría ser un mensaje indirecto de que la materia oscura son en realidad enjambres de agujeros negros diminutos que están muriendo en silencio a nuestro alrededor.

Cómo sería esa explosión

Un agujero negro primordia que alcanza sus últimos instantes ve crecer su temperatura de Hawking a niveles extremos. En fracciones de segundo, su masa se convierte en radiación: electrones, fotones, neutrinos y quizá partículas aún desconocidas.

La intensidad de la emisión es tal que, según los modelos, un solo agujero negro primordia puede liberar del orden de 10^20 a 10^24 neutrinos en su estallido final, dependiendo de la energía mínima considerada. La mayor parte de esas partículas se dispersan por el espacio, pero alguna puede atravesar un detector terrestre si la explosión ocurre dentro de una distancia razonable —en este caso, del orden de miles de unidades astronómicas, es decir, unas decenas de veces la distancia al borde de la nube de Oort.

«No tenemos ninguna esperanza de detectar radiación de Hawking proveniente de agujeros negros astrofísicos. Así que, si alguna vez queremos verla, los agujeros negros primordiales más pequeños son nuestra mejor oportunidad», apunta Klipfel.

Cómo confirmar la hipótesis

El escenario no está libre de incertidumbres. Aún se desconoce cómo se comporta exactamente la radiación de Hawking en las últimas fases de la evaporación, cuando los efectos cuánticos de la gravedad podrían volverse importantes. Y la distribución de masas de los agujeros negros primordiales formados tras la inflación cósmica es objeto de debate.

Pero lo más estimulante es que se trata de una hipótesis comprobable en la próxima década. Los propios autores señalan tres vías principales:

✅ Más neutrinos: tanto el IceCube como el KM3NeT seguirán acumulando eventos. Si el patrón de energías y frecuencias se ajusta al predicho por los PBHs, la idea ganará fuerza.

✅ Rayos gamma: observatorios como el Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO), en China, podrían detectar las contrapartidas de rayos gamma de esas explosiones, poniendo cotas más estrictas al ritmo de agujeros negros primordiales que explotan cerca de la Tierra.

✅ Otras sondas de la materia oscura: desde ondas gravitacionales hasta perturbaciones en sistemas planetarios, múltiples experimentos pueden restringir si los agujeros negros primordiales son viables como constituyentes principales de la materia oscura.

Un misterio que conecta neutrinos y materia oscura

El neutrino de 220 PeV es, por ahora, un suceso aislado. Y podría seguir siéndolo, como un capricho improbable del azar cósmico. Pero si en los próximos años aparecen más neutrinos ultraenergéticos de origen difuso o puntual, la balanza se inclinará hacia la explicación de los agujeros negros primordiales.

Sería un hallazgo de enormes consecuencias: no solo habríamos presenciado el último suspiro de un objeto nacido en los albores del cosmos, sino que tendríamos una pista decisiva sobre la naturaleza de la materia oscura.

«Una probabilidad del 8 % no es terriblemente alta, pero está bien dentro del rango en el que deberíamos tomarnos en serio esas posibilidades, más aún porque hasta ahora no se ha encontrado ninguna otra explicación que pueda dar cuenta tanto de los neutrinos de muy alta energía sin explicación como del aún más sorprendente evento de neutrino de ultraalta energía», señala Kaiser.

Mientras tanto, los detectores seguirán escuchando bajo el hielo y el agua, atentos a los silenciosos visitantes. Cada nuevo neutrino podría ser el eco de un cataclismo diminuto y antiquísimo, ocurrido mucho antes de que existieran las galaxias, el Sol o la Tierra.

«En ese caso, podríamos usar toda nuestra experiencia e instrumentación combinadas para intentar medir la aún hipotética radiación de Hawking —dice Kaiser. Y concluye—: Eso proporcionaría la primera evidencia de su tipo de uno de los pilares de nuestra comprensión de los agujeros negros —y también podría explicar estos eventos anómalos de neutrinos de alta energía. ¡Esa es una perspectiva muy emocionante».

Quizá, después de todo, el enigma de la materia oscura y el de los neutrinos más energéticos se resuelvan con la misma clave: los agujeros negros más pequeños y efímeros del universo. ▪️

• Información facilitada por MIT News

• Fuente: Alexandra P. Klipfel and David I. Kaiser. Ultrahigh-Energy Neutrinos from Primordial Black Holes. Physical Review Letters (2025). DOI: https://doi.org/10.1103/vnm4-7wdc