La materia oscura podría proceder de una quinta dimensión

Cerca del 85 % de la materia del universo es invisible, y nadie sabe de qué está hecha. Un nuevo trabajo teórico, publicado en la revista Physical Review D, plantea una posibilidad tan audaz como difícil de ignorar: que parte de esa materia oscura sean minúsculos agujeros negros nacidos en los primeros instantes del cosmos y que, a diferencia de los que conocemos, no vivan en cuatro dimensiones, sino en cinco. ¿Viene la materia oscura de una quinta dimensión?

Para entender la propuesta hay que empezar por la «dimensión oscura» (Dark Dimension Scenario), un escenario formulado en 2022 por los físicos teóricos Miguel Montero, Irene Valenzuela y Cumrun Vafa, este último de la Universidad de Harvard. Surge del llamado programa del Swampland («pantano»), una corriente de la física teórica que intenta averiguar qué teorías del universo son compatibles con la gravedad cuántica y cuáles, por muy elegantes que parezcan, no lo son.

La idea es que, además de las tres dimensiones espaciales que conocemos, existiría una cuarta dimensión espacial extra —la quinta dimensión si contamos el tiempo— de un tamaño minúsculo, del orden de una micra, una millonésima de metro. Su tamaño estaría ligado al valor de la energía oscura, la misteriosa componente que acelera la expansión del universo. A escalas cotidianas ni la notaríamos; pero a escalas ínfimas, y para objetos lo bastante pequeños, podría cambiarlo todo.

Recreación artística de un agujero negro

Agujeros negros nacidos con el universo

Los agujeros negros primordiales son objetos hipotéticos que no se habrían formado por el colapso de una estrella, sino directamente en el universo primitivo, cuando regiones de materia y energía lo bastante densas se hundieron sobre sí mismas. Se llevan décadas estudiando, entre otros motivos porque podrían explicar parte de la materia oscura sin necesidad de partículas exóticas. Pero tienen un problema: en su versión convencional, cuatridimensional, las observaciones descartan que lo expliquen todo.

Aquí entra el trabajo del equipo del físico Luis Anchordoqui, del Lehman College y el Graduate Center de la City University of New York (CUNY), junto con Alek Bedroya, de la Iniciativa de Gravedad de Princeton, y Dieter Lüst, del Instituto Max Planck de Física, en Múnich. Los investigadores han revisado los mecanismos «de manual» con los que podrían haberse formado estos agujeros negros —la inflación cósmica, las transiciones de fase y las cadenas cósmicas— pero aplicándolos al marco de la dimensión oscura y a sus restricciones de gravedad cuántica.

Su conclusión es que, salvo que exista física exótica todavía desconocida a bajas energías, cualquier mecanismo viable acaba dando agujeros negros de cinco dimensiones. En el caso de los formados por el colapso de cadenas cósmicas (hipotéticas «grietas» lineales del tejido del espacio-tiempo), nacerían ya pentadimensionales. En los demás casos, al ser tan diminutos, su configuración cuatridimensional resultaría inestable y evolucionaría hacia una pentadimensional, un proceso conocido como inestabilidad de Gregory-Laflamme.

Agujero Negro INT

Más fríos, más lentos, más longevos

¿Por qué importa que sean de cinco dimensiones? Porque se comportan de manera distinta. Según el modelo, un agujero negro pentadimensional es más grande, más frío y vive más tiempo que uno cuatridimensional de la misma masa.

La clave está en la radiación de Hawking, el mecanismo propuesto por el físico Stephen Hawking (Universidad de Cambridge) por el que los agujeros negros pierden masa poco a poco y acaban evaporándose. Cuanto más pequeño es el agujero negro, más deprisa se evapora. Pero los pentadimensionales lo harían más despacio, y el equipo calcula que algunos nacidos de cadenas cósmicas podrían tener vidas comparables a la edad del universo, unos 13.800 millones de años. Es decir: seguirían ahí hoy.

Trabajos previos del mismo grupo ya apuntaban en esa dirección: estos agujeros negros «ocultos» en la dimensión extra podrían escapar a las restricciones que hoy descartan a sus equivalentes de cuatro dimensiones en determinados rangos de masa y, en teoría, dar cuenta de toda la materia oscura cosmológica.

Una única llave que podría abrir varias puertas, según Luis Anchordoqui

Stephen Hawking

El neutrino que no debería estar ahí

Esas «varias puertas» incluyen un enigma de la física de partículas. El telescopio submarino de neutrinos KM3NeT, en el Mediterráneo, detectó en febrero de 2023 un neutrino de energía extraordinaria, catalogado como KM3-230213A, cuya energía, según el trabajo publicado, queda sorprendentemente cerca de la escala de Planck pentadimensional de la dimensión oscura, un valor fundamental del marco teórico. Los neutrinos son partículas casi fantasmales que atraviesan la materia sin apenas interactuar con ella.

Un estudio anterior, firmado por Anchordoqui, Dieter Lüst y Francis Halzen —investigador del Observatorio de Neutrinos IceCube, en la Antártida—, planteó que la evaporación final de un agujero negro primordial pentadimensional podría explicar esa partícula. Según el Lehman College, serían objetos de menos de una micra de ancho, lo bastante pequeños como para extenderse hacia la dimensión extra. El nuevo artículo recoge esa posible conexión como una implicación observacional de su resultado.

Cronología de una idea

Qué está (y qué no está) sobre la mesa

Conviene separar bien los planos. Lo que el estudio demuestra es una implicación lógica: si la dimensión oscura existe, entonces los agujeros negros primordiales tendrían que ser pentadimensionales. Lo que no demuestra es que la dimensión oscura exista, ni que existan los agujeros negros primordiales, ni que la materia oscura esté hecha de ellos. Son tres «si» encadenados, y los propios autores lo plantean como un marco teórico, no como un hallazgo.

Lo interesante es que la hipótesis no se queda en el terreno de la pura especulación matemática. Futuras detecciones de neutrinos de muy alta energía, junto con nuevas restricciones sobre los agujeros negros primordiales y la física de dimensiones extra, podrían ayudar a ponerla a prueba. Si algún día otro neutrino como KM3-230213A llega a un detector, quizá estemos mirando el último destello de un agujero negro que se asomó a otra dimensión.