Esta es la imagen que viene a nuestra cabeza cuando imaginamos el impacto de un agujero negro contra la Tierra, la realidad es un poco menos "salvaje", pero no menos sorprendente.

Definitivamente no hay cuerpo de origen astronómico (o cosmológico) que despierte más interés que los agujeros negros. 

Pero estos objetos no son precisamente los objetos más abundantes del Universo.  En la Vía Láctea y galaxias como ella puede haber algo así como un agujero negro por cada 1.000 estrellas. En el Universo observable, el número de agujeros negros super masivos (esos que viven en el centro de muchas galaxias de tamaño apreciable) podría ser 10 veces menor que el número de galaxias.  Así que no es precisamente su abundancia lo que atrae nuestra atención. 

Los agujeros negros son también objetos astronómicos sencillos.  Como decía el difunto Stephen Hawking, los agujeros negros "no tienen pelo". Esto significa que cualquier bicho de estos puede describirse con solo 2 números: su masa total y su rotación (3 si le agregas fantasía a la cosa: carga eléctrica). 

Esto no tiene nada que ver con las estrellas que son cuerpos increíblemente complejos y diversos.  Por ejemplo, es casi innumerable la cantidad de estrellas que teniendo la misma masa son completamente diferentes (por su composición, edad, formación, etc.).

Aún así, hay otros cuerpos astronómicos que le ganan en complejidad a cualquier otro: los planetas y todo lo que está hecho de roca o hielo.  Es casi seguro que no hay dos planetas o asteroides que sean remotamente iguales en todo el universo observable.  Si algo debería despertar nuestro interés, son los planetas y su casi infinita diversidad, no los agujeros negros.

Por todo esto, nunca deja de sorprenderme la envidiable popularidad de los agujeros negros. Pero tal vez sea justo por eso, por escasos, que son motivo de tanta atención.  Los asteroides y los planetas abundan a nuestro alrededor (dormimos encima de uno).

¿Qué pasaría entonces si les digo que uno (o varios) agujeros negros podrían haber pasado por la Tierra en toda su historia? ¿Me creerían si les digo que uno podría haber pasado hace menos de un siglo?

La historia da para alquilar balcón. Lástima que la paciencia de los lectores en línea (sin mencionar la de los escritores) no sea tanta.  Trataré de hacer mi mejor esfuerzo para resumirlo aquí.

<p style="font-size: 8px;">Diagrama tomado de: www.agenciasinc.es

Agujeros negros primordiales

Para entender por qué algunos astrónomos están afirmando que podrían haber agujeros negros que han pasado por la Tierra, es necesario entender una curiosa categoría dentro del zoólogico de estas curiosidades astrofísicas: los agujeros negros primordiales.

Poco se habla de ellos, pero son sin duda 1) los más abundantes del universo, 2) los más extraños (agujeros negros con la masa de una montaña pero el tamaño de un átomo) y 3) sin duda alguna, los únicos capaces de pasar por la Tierra como explicaré en un momento (o dos).

A diferencia de los agujeros negros que aparecen en la mayoría de los libros y que se forman cuando el centro de una estrella se desbarata (agujeros negros estelares) o cuando muchos agujeros negros estelares y gas se unen en coperativa (agujeros negros de masa intermedia y supermasivos), los agujeros negros primordiales se formaron durante el Big-Bang, es decir aquella temporada de la historia del Universo, que no duró más de un minuto y en la que quedaron establecidas las propiedades materiales (y energéticas) de nuestra burbuja del multiverso (guiño, guiño).

Y es que para hacer agujeros negros solo se necesita que haya masa suficiente en un espacio pequeño (alta densidad) y el Big-Bang fue un sitio en el que se dieron con frecuencia esas condiciones.  No hay en cosmología manera de modelar el Big-Bang sin admitir el nacimiento de billones de agujeros negros por todo el universo.  Agujeros negros pequeños y agujeros negros grandes. Agujeros negros primordiales.

¿Pero si el Big-Bang creo un mar de agujeros negros por que no hay uno en mi cocina?. 

Por un lado, porque mucha más materia del Big-Bang se volvió algo que no es agujero negro (por ejemplo halos de materia oscura, estrellas y planetas) que la que se convirtió en agujeros negros primordiales. 

En astrofísica decimos que la densidad numérica de agujeros negros primordiales es baja. 

Por ejemplo, se puede estimar que en este momento, dentro del volumen del sistema solar (es decir dentro de la burbuja imaginaria que delinea la nube de Oort, el cementerio de cometas que rodea al sistema solar y que va hasta casi 1 año-luz desde el Sol) podrían haber unos 10.000 agujeros negros primordiales (ver notas) con la misma masa de un asteroide de 20 km de diámetro.  En el mismo volumen de espacio hay 1 estrella, 8 planetas y millones de millones de asteroides y cometas (sin mencionar el gas, el polvo y la materia oscura).

Ciertamente, los agujeros negros primordiales del sistema solar están perdidos en esa manigua de cuerpos rocosos.

Imagino que están pensando: "¡no tan rápido cerebrito! ¡10.000 agujeros negros en el sistema solar!".  Sí, así como lo leyeron.  Es precisamente esa cifra la que ha llevado a algunos astrofísicos a pensar en que la posibilidad de que uno de esos agujeros negros golpee la Tierra (o cualquier cosa del sistema solar que se le atraviese).

Tomado de: https://whatifshow.com

Impacto por millón de años

La Tierra y todos los cuerpos del sistema solar han sido golpeados por otros cuerpos durante sus 4.500 millones de años (y contando).  Estos impactos han dejado huellas visibles en su superficie (cráteres, grietas y montañas), han modificado las propiedades de los planetas (a Mercurio lo empelotaron y casi lo dejan en los "huesos" o como dicen los planetas con solo el núcleo) e incluso han participado de procesos creativos (la Luna se formó en una atmósfera de "roca gaseosa" creada por un gigantesco impacto que sufrió la Tierra en su infancia). 

Si hay agujeros negros primordiales vagando por el sistema solar, podrían habernos golpeado también.  La pregunta es ¿con qué frecuencia?. 

En un artículo publicado en Junio de 2021 (ver notas al final) dos astrónomos han estimado este número.  El resultado es entre descorazonador (para los que tienden a imaginar apocalipsis con cualquier cosa) e increible (para los que no lo esperabamos): casi 2.000 agujeros negros primordiales con la masa de un asteroide mediano (20 km de diámetro) habrían golpeado la Tierra en toda su vida (ver notas al final).

¿Por qué descorazonador? Porque la Tierra es muy viejita.  Si divides esos 2.000 impactos en 4.500 millones de años nos da que, en promedio, habría un impacto de un agujero negro primordial en la Tierra cada 2,25 millones de años.  No es que vaya a pasar antes del próximo mundial de fútbol. 

Al mismo tiempo, es una cifra asombrosa.  Asteroides de 20 km nos golpean con una frecuencia promedio que no es menor a un impacto cada 100 millones de años (el asteroide o cometa que acelero o produjo la extinción de los dinosaurios no aviares tenía alrededor de 10 km).

Pero ¿qué pasa cuando un agujero negro con la masa de un asteroide de 20 km nos golpea?.

Imagen de la terrible y destructiva explosión en el puerto de Beirut en 2020.  La energía de esta explosión es comparable con la que se produciría en el impacto de un agujero negro primordial con una masa 20 veces la masa del Everest.

Golpeada por un agujero negro

Una cosa es el impacto de un asteroide de 20 km y otra que un agujero negro con la masa de un asteroide de 20 km nos impacte.

Para empezar los agujeros negros son diminutos, al menos comparados con cuerpos astronómicos con su misma masa. 

Un agujero negro de 10¹⁶ kg (casi 20 veces la masa del monte Everest que se estima en 4x10¹⁴ kg) tiene el tamaño de un átomo de Hidrógeno (¡hágame el favor!). Un asteroide con la misma masa tiene un diámetro de 20 km.  Es por eso que a los agujeros negros primordiales se los llama con frecuencia micro agujeros negros.

Así que, de entrada, cuando te golpea un agujero negro así, el golpe no se siente como una "palmada", sino como un pinchazo.  

Pero, ¿qué se siente un pinchazo atómico?. 

En realidad, un agujero negro con esa masa moviéndose en medio de la materia de la atmósfera o de la roca de la Tierra o de la Luna a unos 200 km/s (que es la velocidad característica que tendría un agujero negro primordial; por comparación la velocidad de los asteroides es en promedio 10 veces menor) lo primero que conseguiría sería rodearse de una "atmósfera" de materia convencional (aire o roca). 

El tamaño de esa atmósfera de materia capturada dependería de la masa del agujero negro primordial y de su velocidad dentro de la materia.  Para el agujero negro que hemos usado de ejemplo, la atmósfera que acretaría al contacto con nuestro planeta mediría cerca de 60 micras (ver notas al final), poco menos que el grosor de un cabello humano y 5 veces menor que la punta de una aguja.

Sin embargo, el efecto que crearía en la atmósfera o en la roca no sería tan microscópico.  El golpe de esta "aguja negra cosmica" descargaría en el objeto contra el que impacta una cantidad de energía importante: 2 kilotones en el caso del micro agujero negro que hemos utilizado como ejemplo (para hacerse a una idea, en la explosión de un almacen con productos químicos que tuvo lugar en Beirut en 2020 se libero una energía de aproximadamente 2 kilotones). 

De modo que no hay que dejarse confundir por el tamaño de estos microagujero negro.  De impactarnos producirían explosiones comparables a las que produce el impacto de pequeños meteoroides y fragmentos cometarios.

Justo aquí es cuando surge la pregunta del millón: ¿podríamos distinguir el impacto de un agujero negro primordial del impacto de un asteroide o cometa convencional?.

 

 

  

Resutados de simulaciones del impacto de un asteroide (izquierda) y un microagujero negro donde se puede comprobar el poder de penetración del agujero negro.  Lo que se ve es solo el principio, el micro agujero negro continua su camino por el interior del planeta.  Fuente: https://arxiv.org/pdf/2104.00033.pdf.

Distinguiendo al enemigo

Dos detalles importantes distinguen el impacto de un asteroide y el de un micro agujero negro. 

El primero es la cantidad de energía depositada.  Mientras que con el impacto de un asteroide toda la energía cinética que llevaba la "piedrita" (¡pero que piedrita!) se deposita en el objeto impactado, creando una explosión de proporciones biblicas, en el caso de un micro agujero negro menos de una cien mil millonesima de la energía cinética (ver notas al final) termina dañando algo.  Y aún así, daña mucho.  

Esto nos conduce a la segunda diferencia.  Como el micro agujero negro casi no pierde energía al impactar, sigue su camino practicamente como si el planeta que golpea no existiera.  Incluso, el impacto produciría una explosión violenta a la entrada (como la que produce el impacto del asteroide) y una explosión a la salida, como la que se produce en un volcán.  ¡Que cosa más hermosa debe ser ver algo así! (claro, desde lejos o con los ojos de la imaginación).

Pero esto responde a la pregunta de cómo distinguiríamos en la práctica el impacto de un micro agujero negro, del impacto de un asteroide.  Al fin y al cabo en ambos veríamos una enorme explosión y la posterior formación de un cráter.

Aquí es donde entra el trabajo de Yalinewich y Caplan de Junio de 2021 (ver notas al final).  De acuerdo con sus cálculos, el impacto de un agujero negro podría distinguirse del impacto de un asteroide regular por lo que se conoce en "impactorología" como el impact blanket (sabana de impacto).

El ejecta blanket de un cráter en Marte.  Foto: NASA/Viking.

La materia expulsada en un impacto se deposita formando una capa de detritos cuyo espesor disminuye dependiendo de la distancia al punto de impacto.  Yalinewich y Caplan han descubierto, usando teoría y simulaciones, que en el caso del impacto de un agujero negro primordial, esta capa de materia expulsada sería mucho más pequeña que en el caso del impacto de un asteroide que deposite la misma energía cinética en el impacto.

El problema de este método es que, en la Tierra, entre aguaceros, inundaciones y ventarrones, no hay ejecta blanket que aguante una o dos temporadas.  De modo que los posibles cráteres de nuestro planeta producidos por el impacto de micro agujeros negros, la evidencia clave del impacto quedaría borrada. 

Sin embargo, en cuerpos planetarios sin atmósfera, la Luna, Mercurio, los asteroides, los cráteres podrían conservar por muchos años la evidencia que necesitamos.  De modo que bastaría con echarles una mirada cuidadosa a esos cuerpos para descubrir las huellas dejadas sobre su superficie por el bombardeo de agujeros negros primordiales.  ¡Fácil! ¿no?

Hay una complicación.  Antes había mencionado que, en promedio, cada 2.25 millones de años, un agujero negro primordial con la masa de un asteroide de 20 km golpearía la Tierra.  En el caso de la Luna, por su menor tamaño, la frecuencia disminuye a solo un impacto cada 36 millones de años.  Pero no nos vamos a poner quisquillosos con eso.  La Luna tiene una superficie mucho más antigua.  La complicación viene del hecho que una explosión de 1.7 kton produciría un cráter demasiado pequeño para ser visto, incluso por una nave espacial.  

Podemos probar con el impacto de micro agujeros negros más grandes.  Por ejemplo, el impacto de un bicho de estos con una masa comparable a la de un asteroide de 100 km (10¹⁹ kg o 25.000 veces la masa del monte Everest) produciría un cráter de 2 metros.  Si, leyeron bien: dos metros.  No parece mucho, pero es suficiente para que una nave espacial con ojo de águila como el LRO (Lunar Recognaissance Orbiter) pueda ver el cráter y darnos una oportunidad para estudiarlo.

Pero hay una complicación final.  Micro agujeros negros con una masa tan grande serían 30 veces menos abundantes, con lo que un impacto detectable y estudiable en la Luna se produciría una vez cada 1.000 millones de años.  En la Luna, habrían ocurrido entonces unos 3 cráteres desde el tiempo en el que termino el bombardeo tardío (una temporada de impactos en el sistema solar que creo los grandes mares lunares).

La tarea está difícil.  Será como encontrar una aguja en un pajar, esta vez literalmente (en la Luna puede haber más de 1.000 millones de cráteres de 1 metro o más).  Pero "imposible" es el adjetivo preferido de los astrónomos.

Representación artística del superbólido de Tunguska. Crédito: Don Davies.

Tunguska y los agujeros negros primordiales

Al principio de esta entrada mencione la posibilidad de que ya hubiéramos visto el impacto de un agujero negro primordial en la Tierra, incluso en tiempos históricos.

Porque si bien es cierto que, como explicamos, observar las huellas de un impacto pasado sería muy difícil en nuestro inquieto planeta, nada hemos dicho de ver el impacto en vivo y en directo.  Y recuerden: nada en la apariencia visual del impacto mismo de un agujero negro primordial lo distinguiría del producido por una roca. 

Pues, en 1973 dos físicos norteamericanos (ver notas al final) propusieron justamente que el superbólido de Tunguska, una masiva explosión atmosférica (con una energía de entre 10 y 50 megatones) que se produjo en Siberia en 1907 y arraso con millones de km cuadrados de bosque, podría haber sido el impacto de un microagujero negro de 10¹⁹ kg. 

La razón para proponer una explicación tan poco ortodoxa, reside en el hecho bien conocido de que el evento de Tunguska no dejo ninguna huella (cráter o fisura) en el suelo. Esto es compatible con el impacto de un agujero negro primordial de baja velocidad, que habría, después de producir un despelote en la atmósfera, golpeado el suelo sin producir una significativa onda de choque (recordemos que la "atmósfera" del enfant terrible es de solo unas 60 micras). 

Adicionalmente, de acuerdo a testigos oculares y reconstrucciones del evento, la geometría del superbólido y el tipo de luz que habrían recibido muchos de los árboles afectados, serían compatibles con una explosión similar a la que produciría en su interacción con la atmósfera un micro agujero negro.

1973. Mucha agua ha pasado por debajo del puente de la ciencia.  2021, el caso no parece ahora tan absurdo.

El tiempo lo dirá.  Por ahora, sigan pendientes de las noticias de impactos.  Tal vez tengamos la suerte de presenciar nuestro primer agujero negro en vivo y en directo en algún video de YouTube en los próximos 2 millones de años.

Notas:

  • Para saber más sobre agujeros negros primordiales, Carr, B., Kühnel, F., & Sandstad, M. (2016). Primordial black holes as dark matter. Physical Review D, 94(8), 083504, https://arxiv.org/pdf/1607.06077.pdf
    • El dato del número de agujeros negros primordiales en el sistema solar se puede hacer con esta operación que pueden poner en Google: 2e-18*(1e16/2e30)**(-1/2)/1e-8*8,5e-27/1e16*4*pi*(1e16)**3/3 y que sale de aplicar la ecuación (5) de este artículo.  1e16 es la masa en kg del agujero negro.
  • Un método para buscar impactos de agujeros negros primordiales en la Luna se describe en el artículo: Yalinewich, A., & Caplan, M. E. (2021). Crater morphology of primordial black hole impacts. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters, 505(1), L115-L119, https://arxiv.org/pdf/2104.00033.pdf.
    • El dato de cuántos agujeros negros primordiales han golpeado la Tierra se realiza con la ecuación (6) de este artículo, que está escrita para la Luna y que para adaptarla a la Tierra (que tiene un tamaño 4 veces mayor) basta con agregar un factor de 16 (4 al cuadrado).
  • Para una descripción de la física del impacto de objetos ultra compactos contra la Tierra ver el artículo: Rafelski, J., Labun, L., & Birrell, J. (2013). Compact ultradense matter impactors. Physical review letters110(11), 111102. https://arxiv.org/pdf/1104.4572.pdf.
    • El tamaño de la materia capturada por el agujero negro es obtenida con la ecuación (5) de este artículo y puede obtenerse poniendo en Google está operación. 1e16/6e24*1e6*(40/200)**2.
    • Para calcular la energía depositada por el impacto de un agujero negro se puede usar esta operación en Google 6,4e31*(1e16/6e24)**2*(40/200)**2/4,2e12 que viene de aplicar la Ec. (6) de este artículo.
    • Para calcular la fracción de energía cinética depositada en el impacto del agujero negro es puede usar esta fórmula en Google 0,013*(1e19/6e24)*(40/200)**4 que viene de aplicar la Ec. (7) de este artículo.
  • Para una especulación sobre la posibilidad de que el bólido de Tunguska pudiera ser producido por el impacto de un agujero negro primordial ver el artículo Jackson, A. A., & Ryan, M. P. (1973). Was the Tungus event due to a black hole?. Nature, 245(5420), 88-89. https://bit.ly/3Bb1qxc
Jorge Zuluaga
Jorge Zuluaga

Profesor titular del Instituto de Física de la Universidad de Antioquia (UdeA) en Medellín, Colombia. Fundador del pregrado de astronomía de la UdeA e investigador del grupo de física y astrofísica computacional y del Solar, Earth and Planetary Physics Group. Padre de 3, maestro y divulgador por instinto. Tiene el nombre de un asteroide (347940) Jorgezuluaga.

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Una férrea pasión por el universo. Un blog sobre el universo y los cuerpos más complejos que alberga, planetas, vida y cerebro.

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