Seriam vários os problemas, a começar pelo aumento de "charge leaking", literalmente vazamento de carga entre os pixeis. Quanto mais denso o sensor, mais próximos os pixeis e quanto mais próximos, maior a iteração entre as cargas elétricas armazenadas nos mesmos. Isso pode causar efeitos como hot pixeis, registro incorreto de cores e coisas do tipo.
O segundo problema, este mais facilmente resolvível, é que a quantidade de informação a ser processada pelo microprocessador da câmera aumenta muito, e sempre haverá um ponto de equilíbrio entre a qualidade de saída desejada e o tempo necessário para o processamento da imagem, desde a varredura do ccd, a interpolação de cores inerente ao sensor bayer, o low pass, o sharpening, a eventual conversão para jpeg e finalmente a escrita no cartão.
Outro problema é que quanto menor for o pixel (na verdade o sensor relativo a um pixel da imagem), menor a relação sinal/ruído (eletrônico, e não ruído de software), pois quanto menos luz um desses sítios receber (a quantidade é função da intensidade x área), o ruído eletrônico se tornará mais aparente.
A coisa não é assim tão trivial. Processamento de sinais é sempre complicado, e tem um determinado ponto que um tipo de tecnologia ou técnica deve ser deixado de lado em detrimento de outra.
Quanto ao problema ISO/Ruído (quando eu falar em ruído, leia-se ruído eletrônico, causado pelo movimento desordenado dos elétrons sobre o material. Não vou entrar em detalhes sobre isso, pois perde o foco), existem dois jeitos de se trabalhar:
1) manter o tamanho da célula e aumentar a corrente elétrica para aumentar a sensibilidade. Mais corrente = mais ruído. O sinal é proporcional ao tamanho da célula, logo, aumentando a corrente, aumenta-se o ruído e consequentemente piora-se a relação sinal/ruído
2) manter a corrente e aumentar o tamanho da célula. Mais sinal, com o mesmo ruído, o que significa uma melhora na qualidade da imagem.
3) grupamento de pixeis, sendo somente possível nos sensores Foveon. Pode-se usar um único site para registrar um pixel, ou 4, ou 9. Aumenta-se muito a área e a relação sinal/ruído, mas perde-se em resolução.
Enfim, cada técnica tem seus prós e contras.
A latitude não tem absolutamente nada a ver com a densidade do sensor.
Por isso que a Canon G10 é um horror e tem "barulho"acima de ISO200 e a EOS 5D trabalha bem até iso 800.
Como foi o seu procedimento para produzir a imagem de 130 MP equivalente ? Tenho a impressão que no seu exemplo, quem fez o serviço sujo foram os algoritmos de resizing.