Camino a la quinta dimensión: los agujeros negros más antiguos podrían ayudar a encontrarla

Los agujeros negros que pudieron formarse poco después del Big Bang podrían ofrecer una vía para investigar una quinta dimensión. Un estudio publicado en Physical Review D propone que, bajo determinadas condiciones teóricas, esos objetos tendrían propiedades diferentes de las previstas en un universo de cuatro dimensiones.

La investigación fue realizada por Luis Anchordoqui, Alek Bedroya y Dieter Lüst, vinculados con instituciones de Estados Unidos y Alemania. El trabajo, publicado el 28 de septiembre, revisa cómo podrían originarse los agujeros negros primordiales dentro de un modelo que incorpora una dimensión espacial adicional.

La propuesta conecta dos interrogantes de la física: la estructura del espacio y la composición de la materia oscura. Sus resultados dependen de que ese modelo describa correctamente la naturaleza. Hasta ahora, tanto la dimensión adicional como los agujeros negros primordiales siguen siendo posibilidades sin confirmación observacional.

Qué serían los agujeros negros primordiales

Los agujeros negros conocidos pueden surgir del colapso de estrellas masivas. Los agujeros negros primordiales, en cambio, se habrían formado en el universo temprano, cuando algunas regiones acumularon suficiente densidad como para colapsar por efecto de su propia gravedad.

Dos agujeros negros distorsionan la luz de sus discos de gas en una simulación (Foto: NASA/Goddard/Jeremy Schnittman y Brian P. Powell)

El nuevo trabajo revisa mecanismos asociados con la inflación cósmica, las transiciones de fase y las cuerdas cósmicas, estructuras hipotéticas que pudieron aparecer en aquella etapa. Los autores aplicaron restricciones de gravedad cuántica para evaluar cuáles serían compatibles con el escenario estudiado.

Dentro de ese marco, concluyeron que los mecanismos viables conducirían a objetos de cinco dimensiones, salvo que intervinieran fenómenos físicos exóticos a bajas energías. Por otro lado, calcularon que algunos de los formados a partir de cuerdas cósmicas podrían tener una vida comparable con la edad del universo.

Una dimensión diminuta que cambiaría su comportamiento

La relatividad describe el espacio-tiempo con tres dimensiones espaciales y una temporal. El escenario de la dimensión oscura agrega otra dirección espacial, compacta y de un tamaño del orden de un micrómetro: una milésima de milímetro.

Una dimensión así sería demasiado pequeña para percibirse en la experiencia cotidiana, pero podría influir en fenómenos gravitatorios a escalas diminutas. En ese modelo, ciertos objetos microscópicos responderían a una geometría distinta de la que se utiliza para describir los agujeros negros astronómicos habituales.

Según investigaciones sobre este escenario, los agujeros negros de cinco dimensiones podrían ser más fríos y experimentar una evaporación más lenta que otros de igual masa descritos en cuatro dimensiones. Eso permitiría que algunos sobrevivieran hasta el presente.

Esa duración los convierte en candidatos para explicar parte de la materia oscura, cuya presencia se deduce de sus efectos gravitatorios. La hipótesis busca establecer si una población de estos pequeños objetos podría aportar la masa que no se observa mediante la luz.

El neutrino que abrió otra pregunta

Los módulos ópticos de KM3NeT captan señales producidas por neutrinos bajo el Mediterráneo (Foto: Marco Kraan/Nikhef)

Los investigadores también mencionan una posible conexión con un neutrino de alta energía detectado por el observatorio submarino KM3NeT. El evento se registró el 13 de febrero de 2023 y su energía se estimó en unos 220 petaelectronvoltios.

Una explicación explorada en esta línea de investigación vincula esa señal con las partículas emitidas por un agujero negro primordial al acercarse al final de su vida. No obstante, identificar el origen del neutrino requiere más información: la detección no demuestra por sí sola que exista una dimensión adicional.