Imagen: Ryan F. Mandelbaum

Los √ļltimos a√Īos han sido incre√≠bles para la f√≠sica. En 2012, los cient√≠ficos descubrieron el bos√≥n de Higgs, la part√≠cula que hab√≠an estado buscando durante casi 50 a√Īos, y en 2016 las ondas gravitacionales, que se teorizaron hace 100 a√Īos. Este a√Īo se espera que tomen la primera fotograf√≠a de un agujero negro . As√≠ que algunos te√≥ricos pensaron: ¬Ņpor qu√© no combinar las ideas m√°s locas de la f√≠sica en una sola? ¬ŅQu√© pasar√≠a si, por ejemplo, intent√°semos detectar la materia oscura que irradian los agujeros negros a trav√©s de sus ondas gravitacionales?

No es una idea tan extra√Īa. Ahora que los cient√≠ficos han detectado ondas gravitacionales ‚ÄĒlas ondulaciones del espacio-tiempo generadas por los eventos f√≠sicos m√°s violentos‚ÄĒ quieren usar el descubrimiento para hacer observaciones f√≠sicas reales. Piensan que hay una manera de detectar todas las part√≠culas que podr√≠an componer la materia oscura, una sustancia desconocida que representa m√°s del 80% de toda la gravedad del universo.

‚ÄúNuestra idea es b√°sicamente usar los agujeros negros, los objetos m√°s densos y compactos del universo, para buscar nuevos tipos de part√≠culas‚ÄĚ, explica a Gizmodo Masha Baryakhtar, investigadora postdoctoral del Perimeter Institute for Theoretical Physics de Canad√°. Especialmente una part√≠cula: ‚ÄúEl axi√≥n. La gente lo ha estado buscando desde hace 40 a√Īos‚ÄĚ.

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.

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Baryakhtar y sus compa√Īeros piensan que los agujeros negros son algo m√°s que simples trampas para la luz: n√ļcleos en el centro de una especie de √°tomo gravitatorio. Los axiones ser√≠an los electrones, por as√≠ decirlo. Si ya est√°s familiarizado con los agujeros negros, sabes que tienen discos de gas de alta energ√≠a incre√≠blemente calientes en √≥rbita, producidos por la fricci√≥n entre las part√≠culas aceleradas por la gravedad del agujero negro. Esta teor√≠a ignora esa materia, puesto que los axiones no interaccionar√≠an por fricci√≥n.

Siguiendo con la analog√≠a del √°tomo, los axiones saltan alrededor del agujero negro, ganando y perdiendo energ√≠a de la misma manera que los electrones. Pero los electrones interact√ļan a trav√©s del electromagnetismo, por lo que liberan ondas electromagn√©ticas u ondas de luz. Los axones interact√ļan a trav√©s de la gravedad, por lo que liberan ondas gravitacionales. Pero como dije antes, los axiones son peque√Īos. A diferencia de un √°tomo diminuto, el agujero negro en estos ‚Äú√°tomos de gravedad‚ÄĚ va rotando y sobrecargando el espacio de alrededor, lo que produce m√°s axiones. A pesar de la min√ļscula masa del axi√≥n, este proceso de superradiaci√≥n podr√≠a generar 10^80 axiones: el mismo n√ļmero de √°tomos que hay en todo el universo, alrededor de un solo agujero negro. ¬ŅSigues conmigo? S√≠, los agujeros negros son una locura.

Lo m√°s loco de todo: deber√≠amos ser capaces de escuchar las ondas gravitacionales de estos axiones movi√©ndose en nuestros detectores, de la misma forma que se ven las l√≠neas espectrales que salen de los electrones en clase de qu√≠mica. ‚ÄúVer√≠as esto a una frecuencia particular que ser√≠a aproximadamente el doble de la masa del axi√≥n‚ÄĚ, dice Baryakhtar.

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Hay detectores de ondas gravitacionales gigantes dispersos por el mundo; tenemos un LIGO (Observatorio de ondas gravitacionales por interferometr√≠a l√°ser) 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 teor√≠a. Los cient√≠ficos necesitar√≠an grabar datos, reproducirlos y ajustar su an√°lisis como si fuera una radio para captar la se√Īal en la frecuencia correcta.

Hay otras maneras en que el equipo piensa que podr√≠a detectar este efecto de superradiaci√≥n: midiendo las rotaciones en conjuntos de agujeros negros colisionando. Si los agujeros negros realmente producen axiones, los cient√≠ficos ver√≠an muy pocos agujeros negros de esp√≠n r√°pido en colisiones, ya que los efectos de la superradiaci√≥n ralentizar√≠an algunos de los agujeros negros que colisionan y crear√≠an un efecto visible en los datos, seg√ļn la investigaci√≥n publicada este mes en la revista Physical Review D. El esp√≠n del agujero negro tendr√≠an un patr√≥n espec√≠fico que deber√≠amos ser capaces de detectar en los datos del detector de ondas gravitacionales.

Otros cient√≠ficos se entusiasmaron de inmediato con este art√≠culo. ‚ÄúSiempre me entusiasman las nuevas formas de detectar mi part√≠cula favorita, el axi√≥n. ¬°Tambi√©n la superradiaci√≥n!‚ÄĚ, cuenta a Gizmodo la Dra. Chanda Prescod-Weinstein, de la Universidad de Washington. ‚ÄúEs tan genial, y no he le√≠do un art√≠culo que hablara de [superradiaci√≥n] en a√Īos. As√≠ que fue muy divertido ver superradiaci√≥n y axiones en un mismo art√≠culo‚ÄĚ.

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Hay algunos inconvenientes, como en cualquier teor√≠a. Estos √°tomos teorizados de agujeros negros tendr√≠an que producir axiones de una cierta masa, pero esa masa no es ideal para que el axi√≥n sea una part√≠cula de materia oscura, dice Prescod-Weinstein. Adem√°s, la segunda idea de detecci√≥n, la que observa la velocidad de esp√≠n de los agujeros negros que chocan, podr√≠a no funcionar. ‚ÄúDicen [en el art√≠culo] que no tienen en cuenta la posible influencia de otro agujero negro‚ÄĚ, se√Īala a Gizmodo el Dr. Lionel London, investigador asociado de la Facultad de F√≠sica y Astronom√≠a de la Universidad de Cardiff, especializado en la modelizaci√≥n de ondas gravitatorias. ‚ÄúSi esto resulta ser un efecto significativo y no lo est√°n incluyendo, podr√≠a poner en duda sus resultados‚ÄĚ. Pero hay esperanza. ‚ÄúHay buenas razones para creer que el efecto de un agujero negro de compa√Ī√≠a no ser√° grande‚ÄĚ.

¬ŅCu√°ndo podremos detectar este tipo de eventos? Ahora mismo los detectores de ondas gravitacionales LIGO y Virgo probablemente no est√©n listos. ‚ÄúCon la sensibilidad actual estamos a las puertas de detectar axiones‚ÄĚ, dice Baryakhtar. ‚ÄúPero LIGO continuar√° mejorando sus instrumentos y a m√°xima sensibilidad podr√≠amos ver hasta 1000 de estas se√Īales de axiones entrando‚ÄĚ, explica. Miles de zumbidos de estos √°tomos de agujero negro.

Si has llegado hasta este punto de la historia y a√ļn no entiendes lo que est√° pasando, un resumen: tenemos detectores de ondas gravitacionales que cuestan cientos de millones de d√≥lares cada uno, que son buenos localizando cosas realmente locas que suceden en el universo. Los te√≥ricos han encontrado una manera interesante de usarlos para resolver uno de los misterios interestelares m√°s importantes: ¬Ņqu√© diablos es la materia oscura? Como con la mayor√≠a de las nuevas ideas en f√≠sica te√≥rica, es una idea genial pero no estamos listos para probarla... por ahora.

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‚ÄúCreo que la escala de tiempo es siempre una preocupaci√≥n, pero estamos empezando con los descubrimientos LIGO‚ÄĚ, dice Prescod-Weinstein. ‚ÄúEntonces, ¬Ņqui√©n sabe lo que est√° a la vuelta de la esquina en los pr√≥ximos 10 a√Īos‚ÄĚ.