Imagen: Ryan F. Mandelbaum

Los últimos años han sido increíbles para la física. En 2012, los científicos descubrieron el bosón de Higgs, la partícula que habían estado buscando durante casi 50 años, y en 2016 las ondas gravitacionales, que se teorizaron hace 100 años. Este año se espera que tomen la primera fotografía de un agujero negro . Así que algunos teóricos pensaron: ¿por qué no combinar las ideas más locas de la física en una sola? ¿Qué pasaría si, por ejemplo, intentásemos detectar la materia oscura que irradian los agujeros negros a través de sus ondas gravitacionales?

No es una idea tan extraña. Ahora que los científicos han detectado ondas gravitacionales —las ondulaciones del espacio-tiempo generadas por los eventos físicos más violentos— quieren usar el descubrimiento para hacer observaciones físicas reales. Piensan que hay una manera de detectar todas las partículas que podrían componer la materia oscura, una sustancia desconocida que representa más del 80% de toda la gravedad del universo.

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“Nuestra idea es básicamente usar los agujeros negros, los objetos más densos y compactos del universo, para buscar nuevos tipos de partículas”, explica a Gizmodo Masha Baryakhtar, investigadora postdoctoral del Perimeter Institute for Theoretical Physics de Canadá. Especialmente una partícula: “El axión. La gente lo ha estado buscando desde hace 40 años”.

Los agujeros negros son los sumideros del universo, tan fuertes que la luz no puede escapar de su atracción una vez que ha entrado. Tienen campos gravitatorios tan poderosos que producen ondas gravitacionales cuando chocan entre sí. La materia oscura podría no estar hecha de partículas (masa y energía), pero si lo estuviera, podríamos observarla como axiones, partículas un trillón de veces más ligeras que un electrón, alrededor de los agujeros negros. Ahora que entiendes todos los términos, así es como funciona la teoría.

Baryakhtar y sus compañeros piensan que los agujeros negros son algo más que simples trampas para la luz: núcleos en el centro de una especie de átomo gravitatorio. Los axiones serían los electrones, por así decirlo. Si ya estás familiarizado con los agujeros negros, sabes que tienen discos de gas de alta energía increíblemente calientes en órbita, producidos por la fricción entre las partículas aceleradas por la gravedad del agujero negro. Esta teoría ignora esa materia, puesto que los axiones no interaccionarían por fricción.

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Siguiendo con la analogía del átomo, los axiones saltan alrededor del agujero negro, ganando y perdiendo energía de la misma manera que los electrones. Pero los electrones interactúan a través del electromagnetismo, por lo que liberan ondas electromagnéticas u ondas de luz. Los axones interactúan a través de la gravedad, por lo que liberan ondas gravitacionales. Pero como dije antes, los axiones son pequeños. A diferencia de un átomo diminuto, el agujero negro en estos “átomos de gravedad” va rotando y sobrecargando el espacio de alrededor, lo que produce más axiones. A pesar de la minúscula masa del axión, este proceso de superradiación podría generar 10^80 axiones: el mismo número de átomos que hay en todo el universo, alrededor de un solo agujero negro. ¿Sigues conmigo? Sí, los agujeros negros son una locura.

Lo más loco de todo: deberíamos ser capaces de escuchar las ondas gravitacionales de estos axiones moviéndose en nuestros detectores, de la misma forma que se ven las líneas espectrales que salen de los electrones en clase de química. “Verías esto a una frecuencia particular que sería aproximadamente el doble de la masa del axión”, dice Baryakhtar.

Hay detectores de ondas gravitacionales gigantes dispersos por el mundo; tenemos un LIGO (Observatorio de ondas gravitacionales por interferometría láser) en el estado de Washington, otro LIGO en Louisiana y el Virgo en Italia, que son lo suficientemente sensibles para detectar ondas gravitacionales. Y con mejoras, para detectar axiones y probar esta teoría. Los científicos necesitarían grabar datos, reproducirlos y ajustar su análisis como si fuera una radio para captar la señal en la frecuencia correcta.

Hay otras maneras en que el equipo piensa que podría detectar este efecto de superradiación: midiendo las rotaciones en conjuntos de agujeros negros colisionando. Si los agujeros negros realmente producen axiones, los científicos verían muy pocos agujeros negros de espín rápido en colisiones, ya que los efectos de la superradiación ralentizarían algunos de los agujeros negros que colisionan y crearían un efecto visible en los datos, según la investigación publicada este mes en la revista Physical Review D. El espín del agujero negro tendrían un patrón específico que deberíamos ser capaces de detectar en los datos del detector de ondas gravitacionales.

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Otros científicos se entusiasmaron de inmediato con este artículo. “Siempre me entusiasman las nuevas formas de detectar mi partícula favorita, el axión. ¡También la superradiación!”, cuenta a Gizmodo la Dra. Chanda Prescod-Weinstein, de la Universidad de Washington. “Es tan genial, y no he leído un artículo que hablara de [superradiación] en años. Así que fue muy divertido ver superradiación y axiones en un mismo artículo”.

Hay algunos inconvenientes, como en cualquier teoría. Estos átomos teorizados de agujeros negros tendrían que producir axiones de una cierta masa, pero esa masa no es ideal para que el axión sea una partícula de materia oscura, dice Prescod-Weinstein. Además, la segunda idea de detección, la que observa la velocidad de espín de los agujeros negros que chocan, podría no funcionar. “Dicen [en el artículo] que no tienen en cuenta la posible influencia de otro agujero negro”, señala a Gizmodo el Dr. Lionel London, investigador asociado de la Facultad de Física y Astronomía de la Universidad de Cardiff, especializado en la modelización de ondas gravitatorias. “Si esto resulta ser un efecto significativo y no lo están incluyendo, podría poner en duda sus resultados”. Pero hay esperanza. “Hay buenas razones para creer que el efecto de un agujero negro de compañía no será grande”.

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¿Cuándo podremos detectar este tipo de eventos? Ahora mismo los detectores de ondas gravitacionales LIGO y Virgo probablemente no estén listos. “Con la sensibilidad actual estamos a las puertas de detectar axiones”, dice Baryakhtar. “Pero LIGO continuará mejorando sus instrumentos y a máxima sensibilidad podríamos ver hasta 1000 de estas señales de axiones entrando”, explica. Miles de zumbidos de estos átomos de agujero negro.

Si has llegado hasta este punto de la historia y aún no entiendes lo que está pasando, un resumen: tenemos detectores de ondas gravitacionales que cuestan cientos de millones de dólares cada uno, que son buenos localizando cosas realmente locas que suceden en el universo. Los teóricos han encontrado una manera interesante de usarlos para resolver uno de los misterios interestelares más importantes: ¿qué diablos es la materia oscura? Como con la mayoría de las nuevas ideas en física teórica, es una idea genial pero no estamos listos para probarla... por ahora.

“Creo que la escala de tiempo es siempre una preocupación, pero estamos empezando con los descubrimientos LIGO”, dice Prescod-Weinstein. “Entonces, ¿quién sabe lo que está a la vuelta de la esquina en los próximos 10 años”.