Neutrino desconcertante podría venir de un agujero negro en otra dimensión
Un neutrino inexplicablemente energético que impactó la Tierra en febrero de 2023 sigue generando explicaciones cada vez más extrañas. Con una energía aproximadamente 35 veces mayor que cualquier neutrino visto antes, fue captado por el detector del Telescopio de Neutrinos de Kilómetro Cúbico (KM3NeT), en construcción frente a las costas de Sicilia. Algunos teóricos han sugerido que provino de una fuente conocida de caos astrofísico extremo, como un blázar, un tipo de galaxia altamente activa. Sin embargo, otro grupo de científicos propone algo mucho más extraño: un pequeño agujero negro explotando en las afueras del sistema solar.
Un agujero negro primordial como origen
Este sería un agujero negro primordial (PBH, por sus siglas en inglés), un objeto hipotético formado en los primeros instantes del universo. Como todos los agujeros negros, los PBH se evaporarían con el tiempo emitiendo radiación de Hawking, perdiendo masa gradualmente hasta explotar finalmente en un destello de radiación y neutrinos. A diferencia de otros agujeros negros, los PBH tendrían una masa tan baja que sus últimos estertores podrían estar ocurriendo ahora, no en un futuro lejano.
Una nueva vuelta de tuerca: cuerdas cósmicas y una quinta dimensión
Un nuevo artículo que aprovecha los arcanos principios de la teoría de cuerdas ha llevado esta idea aún más lejos. Publicado en la revista Physical Review D el 28 de septiembre, sugiere que el evento de KM3NeT no fue causado por un PBH cualquiera, sino por uno formado inicialmente a partir de grietas en el espacio-tiempo llamadas cuerdas cósmicas, y oculto dentro de una quinta dimensión. Dieter Lüst, del Instituto Max Planck de Física en Múnich y coautor del artículo, afirma que este escenario altamente especulativo “resolvería por completo este rompecabezas” de por qué el neutrino de KM3NeT no estuvo acompañado de ningún fotón, que deberían haber sido detectados por otros instrumentos pero no lo fueron. Si el PBH en explosión residía en esa quinta dimensión, dice Lüst, la física dictaminaría que solo los neutrinos podrían escapar hacia nuestro universo más familiar.
La dimensión oscura: un concepto no tan nuevo
Este tipo de quinta dimensión no es una idea novedosa. A veces se le llama “dimensión oscura” porque podría formarse como un efecto secundario de la energía oscura, la misteriosa fuerza que impulsa la expansión acelerada del universo. Se puede imaginar como “un círculo extra” de aproximadamente una micra de ancho, dice Lüst, que está enrollado sobre cada punto de nuestro universo tridimensional, más el tiempo. “La razón por la que no lo vemos es que vivimos en una brana de una más tres dimensiones, en la que ocurren todas las demás interacciones, como el electromagnetismo. La única fuerza que puede penetrar la quinta dimensión es la gravedad”.
Cumrun Vafa, teórico de cuerdas de la Universidad de Harvard, dice que la idea de una quinta dimensión es “no solo plausible; se deriva, en cierto sentido, con suposiciones mínimas a partir de ideas de la teoría de cuerdas”, que describió en un artículo publicado como preimpresión en 2022 y luego en 2023. “Y resulta que cuando el tamaño de los agujeros negros es menor que una micra, pueden residir dentro de otros puntos en la dimensión extra”, señala.
Escepticismo y debate científico
La idea es comprensiblemente controvertida. “No sabemos que exista una quinta dimensión”, dice Dan Hooper, cosmólogo de la Universidad de Wisconsin-Madison que ha estudiado los PBH. Lüst, Vafa y otros teóricos de cuerdas que defienden la dimensión oscura “parecen estar haciendo afirmaciones muy fuertes que yo no podría defender”.
Hooper y otros cosmólogos han sugerido que los PBH son un resultado natural de las condiciones en el universo temprano, como la inflación, un aumento exponencial repentino de la expansión cósmica que se cree ocurrió poco después del Big Bang. Tales procesos podrían crear sobredensidades, regiones tan densas que el espacio-tiempo colapsó sobre sí mismo, formando PBH de diversas masas. Los más pequeños se habrían evaporado rápidamente, desapareciendo del cosmos hace mucho tiempo. Pero los PBH más masivos durarían más, y aquellos con la masa aproximada de un asteroide perdurarían hasta evaporarse en nuestra época cósmica actual.
El año pasado, Alexandra Klipfel y David Kaiser del Instituto Tecnológico de Massachusetts propusieron que un PBH que expirara dentro de 2000 unidades astronómicas (2000 veces la distancia Tierra-Sol) de nuestro sistema solar podría haber producido el neutrino captado por KM3NeT. Como otras ideas no han logrado explicar completamente el evento, el concepto salvaje “todavía parece realmente hermosamente consistente”, dice Kaiser, “lo que no significa que sea correcto. Pero utiliza algunos elementos realmente estándar y más típicos que están entretejidos en muchas partes de nuestra comprensión de la física de agujeros negros”.
La propuesta de Lüst y sus colegas, mientras tanto, requiere estirar un poco más la imaginación para ser plausible. En su modelo, el PBH no solo habría estado dentro de esta quinta dimensión; también podría haberse formado inicialmente no a través de sobredensidades inducidas por inflación, sino a partir del colapso de cuerdas cósmicas, grietas teóricas en el tejido del espacio-tiempo que podrían haberse manifestado en el universo muy temprano. “Alrededor de estas cuerdas cósmicas, las densidades son lo suficientemente altas como para formar agujeros negros primordiales”, dice Lüst.
La existencia de los PBH por sí sola es “mucho para colgarlo de un solo neutrino”, dice Ignacio Taboada, astrofísico del Instituto de Tecnología de Georgia. “Y luego le agregas la quinta dimensión, y se vuelve aún más enrevesado. ¿Es plausible? Sí, lo es. Es solo que la evidencia es muy tenue”. Taboada prefiere un escenario más convencional (y algo general) en el que KM3NeT capturó fortuitamente un neutrino “cosmogénico” especialmente energético producido por rayos cósmicos de alta energía que chocan con partículas y átomos en todo el universo. “Sabemos que existe el fondo de rayos cósmicos”, dice, “así que la física de partículas no es tan difícil”.
La conexión con la materia oscura
Una razón por la que algunos teóricos prefieren el escenario más artificioso de los PBH es que estos también podrían explicar la materia oscura, la sustancia invisible que actúa como pegamento gravitacional para la mayoría de las galaxias. Los PBH podrían representar parte o incluso toda la materia oscura del universo, reemplazando o complementando otros candidatos como las partículas masivas de interacción débil (WIMP) y los axiones. Sorprendentemente, la existencia de una quinta dimensión podría aumentar las probabilidades de materia oscura basada en PBH, dice Hooper, porque permitiría que los agujeros negros microscópicos se evaporen más lentamente y, por lo tanto, ocupen un rango más amplio de masas en el universo actual. Una quinta dimensión da “más oportunidad de fabricar materia oscura con agujeros negros”, afirma.
Los PBH también podrían ayudar a resolver otros enigmas, por ejemplo, actuando como semillas para el rápido crecimiento de agujeros negros supermasivos en el universo temprano. “Dan explicaciones muy buenas para varias cosas de las que tenemos evidencia”, dice Andrea Thamm, física teórica de la Universidad de Massachusetts Amherst. Sin embargo, hasta ahora “no sabemos si existen” ni exactamente cómo se habrían formado.
El misterio de la no detección por IceCube
Otro aspecto confuso del neutrino de KM3NeT fue que el detector más capaz del Observatorio de Neutrinos IceCube, en la Antártida, también debería haber captado algo, pero no lo hizo. “Fue realmente sorprendente porque el evento de KM3NeT tenía una energía mucho mayor que cualquier cosa que IceCube hubiera visto”, dice Erin O’Sullivan, astrofísica de neutrinos de la Universidad de Uppsala en Suecia y portavoz de IceCube. A principios de 2023, la red de detectores de IceCube en el hielo antártico abarcaba un área unas 20 veces mayor que los detectores sumergidos de KM3NeT y había estado operando 10 veces más tiempo, desde 2011. Sin embargo, un trabajo publicado en septiembre no mostró neutrinos de alta energía acompañantes en los datos de IceCube en el mismo momento que KM3NeT, y la instalación antártica no ha captado neutrinos de energía comparable en sus 15 años de operaciones.
Aun así, los científicos confían bastante en que la detección de KM3NeT fue un neutrino real; un error instrumental o de cálculo es “muy improbable”, dice Taboada. Un PBH cercano, pentadimensional o no, podría dar una respuesta al lanzar un neutrino en la orientación justa para impactar los detectores de KM3NeT pero no los de IceCube. Otras búsquedas para encontrar PBH cercanos y lejanos, sin embargo, hasta ahora no han tenido éxito. En mayo, por ejemplo, los astrónomos sugirieron que un PBH de masa lunar podría haber sido visto a la deriva a través del halo de nuestra Vía Láctea, pero un trabajo posterior sugirió que el avistamiento era una estrella variable, no un agujero negro.
El futuro: nuevos observatorios de neutrinos
Encontrar neutrinos de alta energía adicionales podría proporcionar algunas respuestas, y ya hay esfuerzos en marcha. El Observatorio de Neutrinos de Radio se está construyendo actualmente en Groenlandia, lo que ampliará la búsqueda utilizando señales de radio en lugar de luz óptica, que es lo que emplea IceCube, para buscar neutrinos entrantes. Mientras tanto, un detector de segunda generación propuesto para IceCube también usaría radio y abarcaría un área de 500 kilómetros cuadrados en comparación con el único kilómetro cúbico actual de IceCube. “Se pueden colocar las estaciones mucho más separadas” usando radio, dice O’Sullivan, y “captar estas energías más altas”.
Por ahora, el neutrino de KM3NeT tiene muchas explicaciones más fáciles de aceptar que los agujeros negros. “No creo que haya ninguna razón para que tenga que ser algo exótico”, dice Hooper. “Sabemos que hay rayos cósmicos de alta energía en nuestro universo que a veces colisionan con gas o radiación y producen neutrinos”, así como fuentes astrofísicas, como los blázares, que también podrían producirlos. Hasta que tales ideas puedan confirmarse, sin embargo, los agujeros negros primordiales pentadimensionales formados por cuerdas cósmicas siguen siendo una posibilidad, por fantásticos que suenen.
