Los agujeros negros podrían actuar como colisionadores cósmicos para descubrir materia oscura

En Estados Unidos, la comunidad científica está preocupada por los recortes impuestos a la investigación básica o al desarrollo de grandes infraestructuras científicas, pero desde la Universidad Johns Hopkins proponen una solución creativa para cuando el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN empiece a dar señales de agotamiento: buscar el próximo colisionador de partículas en el espacio.

Según la investigación, publicada esta semana en Physical Review Letters, los agujeros negros supermasivos podrían servir como colisionadores naturales de partículas, generando eventos energéticos que imiten a los experimentos del LHC.

Estos objetos cósmicos extremos podrían generar partículas similares a las que los científicos buscan en el LHC

«El LHC fue construido con la esperanza de detectar partículas de materia oscura, pero hasta ahora no hemos tenido éxito”, explica Joseph Silk, coautor del estudio y profesor de astrofísica en Johns Hopkins y en la Universidad de Oxford. «Ahora estamos considerando construir un supercolisionador aún más potente, que costaría 30 000 millones de dólares y tardaría 40 años en completarse. Pero quizá la naturaleza ya nos ofrece pistas a través de los agujeros negros».

El estudio plantea que estos objetos cósmicos extremos podrían generar partículas similares a las que los científicos buscan en laboratorios subterráneos de varios kilómetros de diámetro. Y todo ello sin necesidad de construir costosas instalaciones que requieren décadas de planificación y desarrollo tecnológico.

Los colisionadores como el LHC aceleran protones a velocidades cercanas a la de la luz para estudiar los componentes fundamentales de la materia. Sin embargo, esta nueva investigación plantea que ciertas condiciones extremas cerca de los agujeros negros podrían recrear fenómenos comparables a los de estos experimentos terrestres.

Agujeros negros giratorios

Al igual que un planeta, un agujero negro puede girar sobre su eje, aunque con una intensidad gravitacional mucho mayor. En sus regiones más cercanas, este giro genera chorros de plasma altamente energéticos, impulsados por la rotación y por los discos de acreción que lo rodean.

El nuevo estudio sugiere que estos chorros podrían originarse en colisiones caóticas de partículas en las inmediaciones del horizonte de sucesos, el punto de no retorno de un agujero negro. La energía liberada en estos procesos sería comparable —e incluso superior— a la que se genera en los aceleradores más avanzados del mundo.

«Si los agujeros negros supermasivos pueden generar estas partículas mediante colisiones de protones a alta energía, podríamos detectar algunas de ellas en la Tierra», señala Silk, quien también investiga en el Instituto de Astrofísica de París. «Sería una señal de que estos objetos misteriosos actúan como colisionadores cósmicos, generando partículas con energías inalcanzables para nuestras máquinas».

Detectar una partícula de este tipo podría aportar pruebas indirectas de la existencia de la materia oscura, uno de los grandes enigmas de la física actual. Aunque la conexión aún es especulativa, los investigadores consideran que vale la pena explorarla.

Colisiones invisibles con señales a la Tierra

Según el modelo propuesto por los autores, los flujos de gas que caen hacia un agujero negro en rotación pueden extraer energía de su giro, desencadenando colisiones extremadamente violentas entre partículas. Algunas de ellas son engullidas por el agujero negro, pero otras podrían escapar y viajar por el cosmos a velocidades vertiginosas.

«Calculamos cuánta energía podrían alcanzar estos haces de partículas y resulta que podrían igualar —o incluso superar— la de los supercolisionadores más avanzados», afirma Silk. «No sabemos exactamente cuál es el límite, pero podrían ofrecernos resultados complementarios a los de nuestros experimentos terrestres».

Para detectar estos eventos, no sería necesario construir nuevos instrumentos. Observatorios como el IceCube Neutrino Observatory en la Antártida o el telescopio de neutrinos KM3NeT sumergido frente a las costas francesas, en el Mediterráneo (donde participan varios grupos científicos españoles, entre ellos el Instituto de Física Corpuscular (IFIC) y la Unidad Mixta del Instituto Español de Oceanografía del CSIC y la Universitat Politècnica de València) ya están monitorizando fenómenos de alta energía como supernovas y erupciones de agujeros negros.

«La diferencia entre un supercolisionador y un agujero negro es que los agujeros negros están muy lejos», concluye Silk. «Pero aun así, sus partículas pueden alcanzarnos. Solo necesitamos saber cómo reconocerlas».

Referencia:

Silk, Joseph; Mummery, Andrew. Black hole supercolliders (Physical Review Letters, 2025)