Interacciones de partículas tras el Big Bang habrían creado agujeros negros y estrellas

Un reciente estudio publicado en Physical Review D concluyó que, menos de un segundo después del Big Bang, las interacciones entre partículas podrían haber dado lugar a la formación de agujeros negros primordiales, estrellas bosónicas y las denominadas estrellas caníbales. Este trabajo fue realizado por un equipo de investigadores de la SISSA—Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati, en colaboración con INFN, IFPU y la Universidad de Varsovia.

Los autores del estudio partieron de la hipótesis, propuesta por algunos modelos cosmológicos, de que en las fases más tempranas del universo existió una breve Era Dominada por la Materia (EMDE). A partir de esta premisa, investigaron cómo las partículas podrían haber interactuado entre sí, descubriendo que tales interacciones podrían dar lugar a una sorprendente variedad de objetos cósmicos. Así, el estudio demuestra que incluso en los primeros instantes tras el Big Bang, el universo podría haber sido un escenario para una rica y compleja fenomenología física.

Lo que ocurrió tras la inflación

Los recientes avances en cosmología han permitido reconstruir en detalle la historia del universo, desde la rápida expansión inicial conocida como inflación hasta la nucleosíntesis primordial, que dio lugar a la formación de los primeros núcleos atómicos más pesados que el hidrógeno, entre 10 segundos y 20 minutos después del Big Bang. Sin embargo, el período intermedio sigue siendo en gran parte inexplorado.

Los autores explicaron que "una posibilidad intrigante es que durante este intervalo, la materia dominara temporalmente el universo". En este escenario, los halos de materia podrían formarse de manera natural. Además, si las partículas pudieran interactuar entre sí, estas interacciones podrían llevar a un colapso gravotérmico, resultando en objetos compactos como agujeros negros y otras estructuras cósmicas exóticas.

Estructuras extrañas en el amanecer del universo

Entre estos objetos compactos, los investigadores sugieren que podrían haberse formado estrellas caníbales. Estas estrellas son similares a las estrellas tradicionales, excepto que es la autoaniquilación de partículas, en lugar de la fusión nuclear, lo que alimenta a las estrellas.

Al mismo tiempo, los autores señalaron que también podrían haberse formado estrellas bosónicas, donde la naturaleza cuántica de las partículas sostiene la estrella. Estas estrellas podrían haber poblado el universo recién nacido durante solo unos segundos antes de colapsar aún más en agujeros negros primordiales (PBHs). Alternativamente, los PBHs podrían haberse formado directamente a partir del colapso de los halos de materia.

Nuevas hipótesis sobre los agujeros negros primordiales

Según el estudio, los halos formados durante una EMDE tenían masas relativamente pequeñas (menores a 10²8 gramos) y, tras el colapso gravotérmico, podrían haber generado agujeros negros primordiales aún más pequeños. Utilizando un modelo teórico simplificado, los investigadores demostraron que en algunos casos, los PBHs podrían ser sobreproducidos, violando las restricciones observacionales; en otros, los PBHs de masa de asteroide podrían formarse, potencialmente contabilizando toda la materia oscura del universo.

Finalmente, algunos PBHs podrían evaporarse rápidamente, desapareciendo antes de la nucleosíntesis primordial, es decir, antes de la formación de átomos ligeros como el hidrógeno y el helio.

Nuevas perspectivas sobre el universo

Los resultados también abren perspectivas más amplias. Como concluyeron los autores, "sería interesante explorar la formación de estrellas caníbales y estrellas bosónicas en el universo actual, a través del colapso de halos de materia oscura auto-interactuantes. Además, aunque más especulativo, estudiar la formación de estrellas y la acreción en modelos de partículas simples podría proporcionar nuevas perspectivas sobre los complejos procesos astrofísicos que dan forma a nuestro universo".

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