Los investigadores de SISSA - en colaboración con el INFN, el IFPU y la Universidad de Varsovia, han publicado en
Physical Review D un estudio que revoluciona nuestra comprensión de los primeros momentos cósmicos. Su trabajo explora la hipótesis de un período muy breve donde la materia habría dominado el Universo naciente, creando condiciones propicias para la formación de objetos cósmicos compactos. Esta fase, aunque de corta duración, habría sido suficiente para iniciar procesos físicos que marcaron la evolución posterior del cosmos.
Durante este período de dominio de la materia, las partículas elementales se habrían agrupado en halos que, bajo el efecto de sus propias interacciones, habrían sufrido un colapso gravitacional. Este proceso habría conducido a la creación de objetos cósmicos variados, desde agujeros negros primordiales hasta estrellas de bosones, pasando por estructuras aún más exóticas. Estas formaciones habrían existido durante solo unos segundos antes de transformarse o desaparecer completamente.
Imagen de ilustración Pixabay Entre estos objetos extraños, las estrellas caníbales se distinguen por su mecanismo energético único. A diferencia de las estrellas clásicas que obtienen su energía de la fusión nuclear, estas entidades hipotéticas estarían alimentadas por la aniquilación de las partículas que las componen. Las estrellas de bosones, por su parte, mantendrían su cohesión gracias a las propiedades cuánticas de sus constituyentes, representando una forma de materia estelar totalmente diferente de lo que conocemos.
Los agujeros negros primordiales resultantes de estos colapsos presentan masas particularmente bajas, algunas equivalentes a la de un asteroide. Según los modelos teóricos desarrollados por el equipo, algunos de estos micro-agujeros negros podrían haber desaparecido rápidamente por evaporación, mientras que otros podrían constituir una parte significativa de la materia oscura que los cosmólogos siguen buscando. Esta diversidad de escenarios abre nuevas perspectivas para comprender la composición de nuestro Universo.
Las implicaciones de estos trabajos van más allá del marco de los primeros instantes cósmicos. Los investigadores subrayan que procesos similares podrían ocurrir hoy en los halos de materia oscura autointeractuante. El estudio de estos fenómenos en modelos de partículas simples podría iluminar bajo una nueva luz los mecanismos de formación estelar y de acreción que moldean la evolución de las galaxias y los cúmulos cósmicos.
Los halos de materia primordial
Los halos de materia primordial se presentan en forma de concentraciones de partículas elementales que se formaron en el Universo extremadamente joven. Estas estructuras microscópicas habrían emergido naturalmente durante el breve período donde la materia dominaba el cosmos naciente, mucho antes de que aparecieran las primeras galaxias. Su existencia hipotética se basa en modelos cosmológicos que describen las interacciones entre las partículas fundamentales en condiciones de densidad y temperatura extremas.
La formación de estos halos resultaría de fluctuaciones cuánticas amplificadas por la expansión rápida del Universo. Las partículas, al interactuar entre sí, habrían creado regiones ligeramente más densas que su entorno. Bajo el efecto de la gravedad, estas sobredensidades se habrían acentuado progresivamente, conduciendo a la creación de estructuras coherentes. Este proceso recuerda al que forma las galaxias hoy, pero a escalas mucho más pequeñas y en condiciones físicas radicalmente diferentes.
La estabilidad de estos halos dependía estrechamente de la naturaleza de las interacciones entre partículas. Algunos modelos proponen que fuerzas adicionales, más allá de la gravedad y las interacciones estándar, podrían haber jugado un papel determinante en su evolución. La duración de vida de estas estructuras variaba considerablemente según sus propiedades, algunas durando solo unas fracciones de segundo mientras que otras podían persistir el tiempo suficiente para influir en las etapas posteriores de la evolución cósmica.
El estudio de estos halos primordiales ofrece una ventana única sobre la física de altas energías. Sus propiedades podrían revelar aspectos de la teoría de partículas que escapan a los aceleradores terrestres. Además, su evolución podría haber dejado señales observables en el fondo cósmico de microondas o en la distribución de la materia oscura, proporcionando así pistas valiosas para probar los modelos cosmológicos.
El colapso gravotérmico
El colapso gravotérmico describe un proceso por el cual un sistema de partículas en interacción pierde energía y se contrae bajo el efecto de su propia gravedad. En el Universo primitivo, este mecanismo habría transformado los halos de materia en objetos cósmicos compactos. A diferencia de los colapsos gravitacionales clásicos, este fenómeno integra los efectos térmicos y las interacciones entre partículas, creando una dinámica muy diferente.
El proceso comienza cuando las partículas dentro de un halo intercambian energía mediante colisiones e interacciones. Estos intercambios conducen a una redistribución de la energía, con algunas partículas ganando suficiente velocidad para escapar del sistema. La pérdida de energía resultante reduce la presión interna que sostiene el halo contra el colapso gravitacional. Progressivamente, el sistema se contrae, aumentando su densidad y temperatura.
A medida que la contracción se intensifica, las interacciones entre partículas se vuelven más frecuentes y energéticas. En algunos casos, estas interacciones pueden desencadenar reacciones en cadena que aceleran el colapso. La naturaleza exacta del objeto final depende de las propiedades de las partículas implicadas y de las condiciones iniciales del halo. Algunos halos podrían formar agujeros negros, mientras que otros podrían estabilizarse en estrellas exóticas.
Este mecanismo presenta similitudes con la formación de las estrellas actuales, pero con diferencias fundamentales relacionadas con la ausencia de elementos pesados y a energías mucho más elevadas. La comprensión del colapso gravotérmico en el Universo primitivo podría explicar fenómenos contemporáneos, como la dinámica de los cúmulos globulares o la evolución de las galaxias enanas, donde procesos similares podrían ocurrir a escalas diferentes.
Fuente: Physical Review D