La radiación gravitacional de dos agujeros negros podría ayudar a desvelar el misterio de la materia oscura

Wikimedia Commons 

Físicos teóricos de los Países Bajos y Alemania sugirieron buscar bosones de luz similares a los hipotéticos axiones en la radiación gravitacional producida por los agujeros negros de un sistema binario fusionándose. Para esto, los científicos han demostrado que una nube de partículas, que se forma debido a la superradiancia de los agujeros negros, puede experimentar transiciones de resonancia y modificar la señal gravitacional.

Los detectores basados ​​en tierra no pueden captar detalles tan sutiles, pero el detector espacial LISA, que planean lanzar a mediados de los años 30, puede atraparlos fácilmente. Si se llegase a detectar los axiones, podríamos tener un mejor entendimiento de la materia oscura. La investigación fue publicada en Physical Review D, y se puede encontrar en el sitio arXiv.org.

Los WIMPS

Como regla general, cuando los físicos hablan de materia oscura, se refieren a los WIMP, partículas masivas de interacción débil. Dado que tales partículas no participan en la interacción electromagnética, es imposible verlas utilizando telescopios ordinarios (por eso el nombre de "oscura").

Los wimps surgen en un gran número de modelos teóricos, por ejemplo, en teorías supersimétricas, que predicen que la masa de partículas hipotéticas es de al menos diez masas de protones. Desafortunadamente, incluso los detectores más sensibles no han podido observarlos en la práctica. Por lo tanto, ahora los físicos están cambiando gradualmente a teorías alternativas de la materia oscura.

En particular, algunos de estos modelos afirman que la materia oscura no consiste en bosones pesados, sino increíblemente ligeros, cuya masa no excede de 10 a 19 masas de protones. Al igual que los wimps, tales partículas interactúan muy débilmente con las partículas del Modelo Estándar, sin embargo, se manifiestan a través de efectos gravitacionales: lentes gravitacionales y curvas de rotación de galaxias.

El ejemplo más conocido de un bosón ligero es el axión, propuesto en 1977 por Roberto Peccei y Helen Quinn. Inicialmente se introdujo al axión en el Modelo Estándar para solucionar el problema CP fuerte y así explicar la conservación de la simetría CP, pero también encajaba bien con el papel de una partícula de materia oscura.

Así mismo, las partículas de luz similares a los axiones surgen en la teoría de cuerdas y otras teorías alternativas. Desafortunadamente, registrar los axiones con detectores basados ​​en tierra es muy difícil, y hasta ahora los científicos han podido verificar solo un rango estrecho de masas.

Las nubes alrededor de un agujero negro

Ahora, los físicos teóricos Daniel Baumann, Horng Sheng Chia y Rafael Porto han propuesto un método alternativo para detectar partículas ligeras similares a los axiones. Para lograrlo, los científicos han notado que debido a la superradiación alrededor de los agujeros negros giratorios, se forman nubes de partículas escalares ultraligeras. Teóricamente, tales nubes pueden distorsionar el espectro de ondas gravitacionales que emiten sistemas binarios de agujeros negros confluentes.

Actualmente los científicos pueden medir este espectro, aunque de manera muy aproximada; por lo tanto, con la ayuda de las ondas de gravitacionales, se podría confirmar indirectamente la existencia de axiones. Desafortunadamente, nadie ha estudiado esta oportunidad antes.

Para comenzar, con el fin de simplificar el problema, los físicos investigaron cómo se forma una nube de partículas escalares alrededor de un agujero negro "solitario", cuya velocidad de rotación supera la velocidad de fase angular de una onda descendente. Siguiendo la visión estándar de la superradiancia, los científicos aproximaron la ecuación de movimiento de los bosones mediante la ecuación de Schrödinger, encontraron sus propios valores y funciones de onda correspondientes, y luego calcularon la vida útil de la nube del bosón. En términos generales, los físicos consideraron al "átomo gravitacional" (cuyo núcleo era un agujero negro) y los electrones como partículas similares a los axiones.

Como resultado, los investigadores obtuvieron que la vida útil de la nube es proporcional a la masa del agujero negro e inversamente proporcional a la potencia quince de la "constante de estructura fina gravitacional", la relación del radio gravitacional del agujero y la longitud de onda de Compton de los bosones de luz.

Esto significa que, para los agujeros negros de masa solar, la radiación gravitacional de la nube se puede descuidar si la "constante de estructura fina" es menor que 0.07 (la nube se desintegra demasiado rápido). Para los agujeros negros más masivos, esta restricción es ligeramente más débil.


La evolución de un sistema binario de agujeros negros con una nube de bosones. Debido a la radiación de las ondas gravitacionales, los agujeros se acercan gradualmente hasta que la nube entra en resonancia y distorsiona el espectro de la señal gravitacional.
Daniel Baumann et al. / Revisión física D, 2019 

¿Y dos agujeros negros?

Luego, los científicos comprobaron cómo cambiarían los estados cuasi estacionarios de la nube de bosones si agregáramos un vecino al agujero negro. Para hacer esto, utilizaron la teoría de la perturbación, considerando que el vecino distorsiona débilmente la métrica del primer agujero negro.

Resultó que resonancias similares a las resonancias de Rabi en átomos ordinarios aparecen en tales "moléculas gravitacionales". Por conveniencia, los físicos han considerado dos casos de resonancia: la coincidencia de la frecuencia de rotación de una nube con la división hiperfina de sus niveles de energía o con la diferencia de las energías de armónicos. Llamaron al primer caso “resonancia hiperfina”, y al segundo, “resonancia de Bohr”. Sea como fuere, ambas resonancias combinan los modos de crecimiento y decadencia y hacen que la nube pierda masa.

Finalmente, los investigadores estimaron cómo las resonancias de la nube de bosones afectarán el espectro de ondas gravitacionales emitidas por un sistema binario. Como se esperaba, la señal se ve mejor: cuanto más larga es la vida de la nube, más nítido es el pico de la resonancia.

Más precisamente, la frecuencia de la señal es directamente proporcional al séptimo grado de la "constante de estructura fina" para la resonancia hiperfina y el tercer grado es "constante" para la resonancia de Bohr. En la práctica, esto significa que los detectores de tierra no pueden sentir la seña, pero el detector espacial LISA, sí.

Los autores del artículo enfatizan que su método siente incluso esas partículas que están asociadas con partículas del Modelo Estándar solo por interacción gravitacional. Ningún otro experimento puede detectar tales partículas, aunque son un candidato ideal para el papel de la materia oscura. Sin embargo, los científicos también notan que su análisis no es lo suficientemente preciso para ponerlo en práctica y prometen mejorar el método propuesto en el futuro.


Victor Román
Esta noticia ha sido publicada originalmente en N+1, ciencia que suma.

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