¿El Sol alberga un agujero negro en su centro?

En 1971, Stephen Hawking propuso que un pequeño agujero negro del universo primitivo podría estar oculto en el centro del Sol. Esta idea fue ampliada en 1975 por Don Clayton y sus colaboradores, quienes sugirieron que la energía generada por la caída de materia en dicho agujero negro podría explicar el déficit observado en los neutrinos electrónicos provenientes del Sol.

Este déficit, conocido como el problema de los neutrinos solares, fue formulado a partir de los cálculos de John Bahcall, mi primer mentor. La existencia de una segunda fuente de energía además de la fusión nuclear podría haber reducido la producción de neutrinos solares a través de reacciones nucleares, explicando así el déficit. Hoy en día, datos más precisos del Observatorio de Neutrinos de Sudbury en Canadá, por los cuales Art McDonald recibió el Premio Nobel de Física en 2015, sugieren una solución diferente al problema de los neutrinos solares, basada en la transformación de los sabores de los neutrinos dentro del Sol.

Sin embargo, ¿podría el Sol albergar un agujero negro primordial que no contribuye significativamente a su luminosidad? Después de todo, sabemos que el 85% de la materia del Universo es invisible. Los agujeros negros primordiales con una masa similar a la de los asteroides, en el rango de 1 a 100 kilómetros, podrían ser responsables de la materia oscura. Si esta es la naturaleza de la materia oscura, ¿es posible que algunas estrellas hayan capturado un agujero negro primordial en su interior? Si es así, ¿cuál sería su destino?

Es más fácil abordar la segunda cuestión. Un agujero negro capturado por una estrella podría alterar su evolución y estructura interna. El interior de las estrellas puede diagnosticarse a través de sus oscilaciones, de manera similar a cómo se usan las señales sísmicas para investigar la estructura interna de la Tierra. La evolución y estructura inusuales de las estrellas que albergan miniagujeros negros podrían investigarse en el futuro.

Dada la alta velocidad de la materia oscura en la Vía Láctea, la probabilidad de que el Sol haya capturado un agujero negro primordial es de una entre diez millones. Sin embargo, considerando los cientos de miles de millones de estrellas en la Vía Láctea, aún podría haber decenas de miles de estrellas que hayan capturado un miniagujero negro. Debido a la menor velocidad característica de la materia oscura en las galaxias enanas, la mayoría de las estrellas en galaxias enanas ultra débiles, como Tucana III y Triangulum II, podrían haber capturado un miniagujero negro.

Después de consumir su combustible nuclear, el núcleo de estrellas similares al Sol se contrae para formar una enana blanca, una esfera metálica del tamaño de la Tierra. Dado que el radio de la Tierra es cien veces menor que el del Sol, la densidad de masa promedio de las enanas blancas es aproximadamente un millón de veces mayor que la del Sol. Por lo tanto, la tasa de acreción de materia sobre una mini-estrella negra incrustada aumentaría un millón de veces, lo que podría encender la enana blanca y desencadenar una explosión de supernova. Se podrían buscar transitorios explosivos raros de un nuevo tipo en los datos del Observatorio Rubin, que comenzará a funcionar el próximo año.

El efecto de un miniagujero negro sería aún más dramático si estuviera atrapado en el núcleo de una estrella masiva con más de ocho veces la masa del Sol. Un núcleo de este tipo colapsa para formar una estrella de neutrones después de consumir su combustible nuclear. La densidad de la estrella de neutrones se asemeja a la de un núcleo atómico, cien billones de veces mayor que la densidad media del Sol. En ese caso, la rápida acumulación de materia podría convertir a la estrella de neutrones en un agujero negro, como señalé en un artículo de 2014 con mi ex investigador posdoctoral, Paolo Pani, quien actualmente es profesor en Italia.

En estas circunstancias, el agujero negro primordial puede considerarse como una semilla que crece hasta consumir a su estrella anfitriona y transformarla en un agujero negro de masa estelar. Este proceso podría dar lugar a agujeros negros con la masa de una estrella de neutrones, un resultado inesperado en una evolución astrofísica normal.

Actualmente, el observatorio LIGO-Virgo-KAGRA identifica objetos compactos como estrellas de neutrones o agujeros negros por su masa, determinada a través de su señal de ondas gravitacionales. La existencia de un canal de estrella de neutrones hacia un agujero negro provocaría confusión en este esquema de identificación y daría lugar a eventos en los que objetos compactos con masa de estrella de neutrones se detectarían en ondas gravitacionales pero no emitirían radiación electromagnética, debido a la ausencia de materia.

Como mencioné en un artículo reciente, que ha sido aceptado para su publicación en The Astrophysical Journal Letters, la mecánica cuántica limita el crecimiento de los miniagujeros negros con masa de asteroide. Esto se debe a que el tamaño de su horizonte de sucesos es menor que el de los átomos.

Si los agujeros negros primordiales constituyen la materia oscura, entonces el agujero negro más cercano estaría dentro del sistema solar. Tener un agujero negro tan cerca nos brinda una oportunidad única para estudiar la gravedad cuántica de manera experimental. Un agujero negro con un horizonte de sucesos del tamaño de un protón irradiaría espontáneamente, según el artículo de Hawking de 1974, con una potencia de 1 gigavatio, principalmente en fotones de rayos gamma con una energía cien veces mayor que la masa en reposo del electrón.

Si alguna vez detectamos un agujero negro con la masa de un asteroide en el sistema solar, podría servir como un banco de pruebas para experimentos de gravedad cuántica a escala subatómica. Comprenderlo nos ayudaría a desarrollar una teoría predictiva que unifique la mecánica cuántica y la gravedad. Tener una teoría de este tipo nos informaría sobre lo que pudo haber causado el Big Bang, acercándonos a comprender nuestras raíces cósmicas.

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