Los científicos que trabajan en la frontera de la física de partículas proponen la existencia teórica de un exótico bosón ultraliviano con una masa miles de millones de veces menor que la del electrón. Están buscando un origen ‘más oscuro’ de las ondas en el espacio-tiempo, al mismo tiempo que prueban la existencia de una partícula de materia oscura. Las teorías sobre el origen de la materia oscura en el universo —uno de los mayores interrogantes de la ciencia— van desde sugerir que puede ser más antigua que el Big Bang hasta la existencia de partículas del tamaño de galaxias.
Más allá del modelo estándar
La cuestión de qué partículas componen la materia oscura —“oscura” en el sentido de que no emite radiación o apenas interactúa físicamente con nada, excepto a través de su atracción gravitacional— es crucial para la física de partículas moderna. Las observaciones indican que la materia oscura existe, pero aparentemente la constituye algo diferente a las partículas del modelo estándar.
En septiembre de 2020, el LVC, organismo conjunto de LIGO Scientific Collaboration y Virgo Collaboration, anunció la detección de la señal de onda gravitacional GW190521 proveniente de la fusión de dos agujeros negros de masa estelar con una masa de 85 y 66 masas solares. El resultado final de la fusión fue un agujero negro de masa intermedia con 142 masas solares. Las 9 masas solares restantes se irradiaron como energía en forma de ondas gravitacionales.
El descubrimiento fue de suma importancia porque estos agujeros negros de masa intermedia se habían considerado durante mucho tiempo el eslabón perdido entre los agujeros negros de masa estelar que se forman a partir del colapso de las estrellas y los agujeros negros supermasivos ocultos en el centro de casi todas las galaxias.
A pesar de su importancia, la observación de GW190521 plantea un enorme desafío para la comprensión actual de la evolución estelar, porque uno de los agujeros negros fusionados tiene un tamaño «prohibido». Específicamente, los modelos estándar de evolución estelar no pueden formar agujeros negros con 85 veces la masa del sol.
La alternativa de la estrella de bosones
La explicación alternativa, dice Nicolás Sanchis-Gual, investigador postdoctoral en la Universidad de Aveiro y en el Instituto Superior Técnico (Universidad de Lisboa), abre una nueva dirección para el estudio: una superficie ‘sin retorno’, u horizonte de eventos. Cuando chocan, forman una estrella de bosones que puede volverse inestable, colapsando eventualmente en un agujero negro y produciendo una señal consistente con lo que LVC observó el año pasado. A diferencia de las estrellas regulares, que están hechas de lo que comúnmente conocemos como materia, las https://en.wikipedia.org/wiki/Exotic_star#Boson_stars estrellas bosónicas están formadas por bosones ultralivianos. Estos bosones son uno de los candidatos más atractivos para constituir la materia oscura, que forma alrededor del 27% del Universo”.
¿Materia oscura ultraligera?
Un nuevo hallazgo implica la primera observación de estrellas bosónicas, así como de su bloque de construcción, una nueva partícula conocida como bosón ultraliviano (o ultraligero) que se ha propuesto como los constituyentes de lo que conocemos como materia oscura. Si se confirma con el análisis posterior de GW190521 y otras observaciones de ondas gravitacionales, el resultado proporcionaría la primera evidencia observacional para un candidato a ser la materia oscura largamente buscada. Los candidatos de materia oscura ultraligera tienen solo una pequeña fracción de la masa de un electrón, en contraste con la materia oscura fría más popular, que incluye varios candidatos con decenas a cientos de veces la masa de un protón.
Esto elimina que deba existir un «agujero negro prohibido»
El equipo comparó la señal GW190521 con las de simulaciones por computadora de fusiones de estrellas de bosones, y descubrió que en realidad explican los datos un poco mejor que el análisis realizado por LVC, explica el codirector del equipo Juan Calderón Bustillo, miembro de Marie Curie en el Instituto Gallego de Física de Alta Energía. «Primero, ya no estaríamos hablando de colisión de agujeros negros, lo que elimina el problema de tratar con un agujero negro prohibido. En segundo lugar, debido a que las fusiones de estrellas de bosones son mucho más débiles, inferimos una distancia mucho más cercana que la estimada por LVC. Esto conduce a una masa mucho mayor para el agujero negro final, de unas 250 masas solares, por lo que el hecho de que hayamos sido testigos de la formación de un agujero negro de masa intermedia sigue siendo cierto».
Aunque el análisis tiende a favorecer adrede la hipótesis de la fusión de los agujeros negros, dice el astrofísico Toni Font , de la Universidad de Valencia y uno de los coautores, «la fusión de estrellas de bosones es, en realidad, es un poco más ajustada a los datos, aunque en un sentido manera no es concluyente. A pesar de que el marco computacional de las simulaciones de estrellas de bosones actuales sigue siendo bastante limitado y está sujeto a importantes mejoras, el equipo seguirá desarrollando un modelo más evolucionado y estudiará observaciones de ondas gravitacionales similares bajo el supuesto de una fusión de estrellas de bosones».
El hallazgo no solo implica la primera observación de estrellas bosónicas, sino también de su bloque de construcción, una nueva partícula conocida como bosón ultraliviano, dice el coautor Carlos Herdeiro de la Universidad de Aveiro. «Estos bosones ultralivianos se han propuesto como constituyentes de lo que conocemos como materia oscura. Además, el equipo puede medir la masa de esta supuesta nueva partícula de materia oscura y se descarta un valor de cero con un alto nivel de confianza».
La última palabra, J. Antonio Font
«Los estudios de inferencia sobre GW190521 llevados a cabo por la Colaboración LIGO VIRGO KAGRA (LVK) reportaron una masa de agujero negro primario de alrededor de 85 millones de soles (Msol, Msun en inglés)», escribió Antonio Font en una respuesta por correo electrónico a The Daily Galaxy que le preguntaba cómo la observación de GW190521 plantea un desafío a la comprensión actual de la evolución estelar, y si ha confirmado el análisis posterior la existencia del bosón ultraliviano.
«Esta masa está dentro del rango de masas de una supernova de inestabilidad de [producción de] pares [electrón-positrón]», explicó Font, «un tramo de masas aproximadamente entre 50 Msol y 130 Msol, donde no se espera que se formen agujeros negros a partir del colapso gravitatorio de una estrella masiva al final de su evolución. Si bien la existencia de este tramo parece ser un resultado teórico sólido, se sabe que sus límites particulares se ven afectados por factores que no se comprenden muy bien, por ejemplo, la rotación de la estrella, incertidumbres sobre las tasas de reacciones nucleares o episodios de rápida acumulación en el nacimiento del agujero negro».
«Parece, aunque improbable», prosiguió Font, «que el límite inferior del tramo pueda ascender a un valor cercano a los 85 Msol. Como resultado, ha habido una serie de explicaciones alternativas para GW190521, incluidas capturas jerárquicas, fusiones altamente no cuasi circulares, sistemas de agujeros negros toroidales de alta masa, o incluso propuestas exóticas como fusiones de agujeros negros primordiales o colisiones de hipotéticas estrellas bosónicas, siendo esta última nuestra propia propuesta».
«Actualmente estamos reevaluando nuestro análisis con algunas de las observaciones más masivas reportadas en GWTC-3 (third Gravitational-Wave Transient Catalog, o Tercer Catálogo de Transitorios de Ondas Gravitacionales de LIGO), encontrando una buena concordancia con el valor de la masa del bosón ultraliviano que inferimos de la señal GW190521. Si bien esto respalda aún más nuestra afirmación de un conflicto entre dos modelos teóricos (colisiones de agujeros negros frente a colisiones de estrellas de bosones), de ninguna manera implica (y mucho menos confirma) la existencia de bosones ultralivianos. Un fuerte apoyo para su existencia podría provenir de la detección de ondas gravitacionales continuas de nubes de bosones alrededor de agujeros negros giratorios».
Si se confirma con el análisis posterior de GW190521 y otras observaciones de ondas gravitacionales, el resultado proporcionaría la primera evidencia observacional de un origen «más oscuro» de las ondas en el espacio-tiempo y probaría la existencia de una partícula de materia oscura. El evento G2190521 se detectó cerca del borde de nuestro universo observable a una distancia de 5,3 gigaparsecs (17 mil millones de años luz). Las fusiones más cercanas de agujeros negros que abarcan el límite de masa estelar / masa intermedia pueden ayudar a confirmar la naturaleza de estos esquivos objetos.
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Fuente: Physical Review Letters / Daily Galaxy
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