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Ahora que ya sabes qué es un agujero negro, cómo podemos observarlos y qué información podemos obtener de ellos, la siguiente pregunta más natural es: ¿Todos los agujeros negros son iguales? Y la respuesta a esta pregunta es que no. Los agujeros negros tienen distintos tipos de naturaleza. Dependiendo de la masa que poseen, existen tres categorías generales: agujeros negros estelares, agujeros super masivos y agujeros negros primordiales.  

Figura 1. Equilibrio gravitacional. Créditos: La Roñosa.

Como su nombre lo indica, los agujeros negros estelares nacen a partir de la muerte de una estrella muy masiva, de entre diez y veinte masas solares. Las estrellas se mantienen estables debido al balance entre su presión interna y la fuerza gravitacional. La presión interna de la estrella está generada por un proceso llamado fusión, el cual fusiona elementos ligeros tales como el hidrógeno para formar elementos más pesados como el carbón. La fuerza exterior que actúa fuera de la estrella es la fuerza gravitacional. Por lo tanto, para que la estrella se mantenga estable, la presión hacia afuera ejercida por la fusión y la fuerza de gravedad, ejercida hacia el centro de la estrella, deben ser iguales. A esto se le conoce como equilibrio gravitacional (Figura 1). Cuando el equilibrio gravitacional se rompe, la estrella “muere”, dando lugar al nacimiento de un agujero negro con una masa de, al menos, 3 masas solares. Es importante enfatizar que los agujeros negros estelares no pueden tener una masa más pequeña a este valor. Si la estrella que muere posee una masa inferior a 10 masas solares, el resultado final no será un agujero negro, si no que terminará por nacer una estrella de neutrones o una enana blanca.

Actualmente, se propone que en el centro de cada galaxia se encuentra un agujero negro. De hecho, en el centro de nuestra galaxia existe un agujero negro, Sagitarius A, con una masa de 4.1 millones de masas solares. Estos agujeros negros, extremadamente masivos, se conocen como supermasivos, ya que comúnmente poseen masas de millones de masas solares. Lo más intrigante de estos objetos localizados en los centros galácticos no es su inmensa masa, sino su origen. ¿De dónde vienen? ¿Cómo nacieron?  Ni la estrella más masiva de nuestro universo, con una masa de 265 masas solares, es capaz de explicar el origen de estos objetos. Esto lleva a los científicos a especular que el origen de dichos objetos es primordial. En otras palabras, se especula que los agujeros negros supermasivos, se formaron incluso antes que el primer átomo de hidrógeno. 

Esto nos lleva a la última clasificación: agujero negro primordial. Su existencia aún no se ha comprobado ya que no existen observaciones. Pero, si llegamos a observar alguno ¿cómo sabremos si es del tipo primordial, existe alguna característica que los diferencie de los otros? La respuesta es sí y no. Debido a que los agujeros negros primordiales no se formaron de la muerte de estrellas, estos podrían tener cualquier masa, desde unos pocos gramos hasta millones de masas solares. Por lo tanto, la observación de un agujero negro menor a 3 masas solares sería la prueba definitiva de la existencia de agujeros negros primordiales. Finalmente, se especula que estos objetos primordiales, son la semilla de los supermasivos.

¿Qué son los agujeros negros primordiales?

Para poder explicar cómo podríamos diferenciar un agujero negro primordial, de uno estelar, por ejemplo, necesitamos hablar un poco más a detalle de sus características. Los agujeros negros primordiales, se formaron en el universo temprano en un periodo llamado inflación.  ¡Se formaron incluso antes que cualquier forma de materia! Entonces, si esto es así ¿cómo pudieron formarse, acaso no necesitan altas densidades de materia? Resulta que para formar un agujero negro se necesita energía y no necesariamente materia. Por lo tanto, en la época de inflación donde la energía era lo que predominaba, fluctuaciones de alta densidad de energía pudieron haber producido estos objetos. 

Para explicar el nacimiento de un agujero negro primordial, usualmente se proponen modelos que van más allá de lo que conocemos en el Universo. Sin embargo, todos se basan en lo siguiente: Colapso de fluctuaciones primordiales (Figura 2). El agujero negro se forma cuando la fluctuación alcanza un valor crítico y además se comprime dentro de un radio limite, llamado el radio de Schwarzschild. La masa del agujero negro primordial dependerá, además de la fluctuación, del tiempo en el que se formó. Por ejemplo, agujeros negros primordiales más masivos, se formarán más tarde que aquellos con menor masa. 

Figura 2. Colapso de fluctuaciones primordiales. Créditos: Villanueva-Domingo, P., et al. (2021).

Sin duda los agujeros negros primordiales son un tema de discusión bastante interesante.  Podría pasar horas y escribir páginas enteras con información de estos objetos primordiales. No son interesantes solo por ser objetos aún desconocidos, sino porque su mera existencia podría resolver no solo el origen de los agujeros supermasivos, entre otras incógnitas de la historia del universo, si no que también podrían explicar uno de los dilemas más intrigantes en la física de partículas, cosmología y astrofísica: materia oscura.

¿Quieres saber más?

Shapiro, S. L., & Teukolsky, S. A. (1983), “Black holes, white dwarfs, and neutron  stars: The physics of compact objects“, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, pp. 1-645.

Argüelles, C. R., et al.  (2022), What does lie at the Milky Way centre? Insights from the S2-star orbit precession“, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters, 511 (1): L35–L39.

Villanueva-Domingo, P., et al. (2021),  “A Brief Review on Primordial Black Holes as Dark Matter“, Front. Astron. Space Sci., 8: 1-10.

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La Roñosa Contributor
Colaboradora en La BioZona

Soy originaria de Nogales, Sonora. Me mudé a Hermosillo Sonora a los 6 años de edad y viví ahí hasta mis 25 años. Estudié la licenciatura en física en la Universidad de Sonora donde también hice mi maestría en física  de partículas. En el año 2016 fui aceptada en la Universidad de Durham en el noreste de Inglaterra, donde realicé mi doctorado en el Instituto de Fenomenología de Física de Partículas (IPPP). Mi línea de investigación cae en la física de partículas, la astrofísica  y la cosmología. Inicialmente no tenía interés en la física del universo, pero poco a poco me di cuenta de lo maravillosa y hermosa que es. Concluí mis estudios  de doctorado en febrero del 2021.

Desde niña me fascinó la idea de poder explicar todo lo que nos rodea a través de las matemáticas. Es por ello que siempre me incline al estudio de la física. Nunca me imaginé que esto me brindaría experiencias extraordinarias y me llevaría  a conocer lugares del mundo que ni siquiera sabía que existían. Soy una persona muy tímida y la verdad me da miedo casi todo, pero  igual me lo aguanto.

Actualmente, estoy haciendo un postdoc en la Universidad de Tokyo donde llevo casi un año. Planeo realizar otro postdoc más, ya que mi ambición es quedarme en el mundo de la academia y la investigación.

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