Las ondas gravitacionales podrían estar revelando algo más que colisiones de agujeros negros. Un nuevo estudio sugiere que algunas de estas señales, detectadas hace años, también podrían contener indicios de partículas ultraligeras asociadas con la materia oscura, uno de los mayores misterios de la astrofísica.
Desde que el observatorio LIGO Scientific Collaboration detectó por primera vez ondas gravitacionales en 2015, la comunidad científica ha utilizado estas vibraciones del espacio-tiempo para estudiar eventos extremos, como la fusión de agujeros negros. Ahora, un equipo internacional de investigadores propone que estos fenómenos también podrían servir como laboratorios cósmicos para buscar nuevas partículas fundamentales.
El trabajo, publicado esta semana en Physical Review Letters, se centra en partículas escalares ultraligeras, canditdas plausibles para explicar la materia oscura. A diferencia de la materia ordinaria, la materia oscura no emite ni absorbe luz, pero su gravedad parece moldear galaxias. Aunque aún no se ha detectado directamente, algunas hipótesis arrojan que esta podría estar formada por partículas extremedamente ligeras capaces de acumularse alrededor de agujeros negros, como nubes.
Los autores estudiaron qué ocurre cuando dos agujeros negros orbitan uno alrededor del otro inmersos en una nube de este tipo de partículas. Según sus cálculos, la interacción gravitacional entre el sistema binario y el campo escalar altera ligeramente la dinámica orbital. Ese cambio modifica el “chirp”, que es la subida de frecuencia que producen las ondas gravitacionales antes de la colisión final.
Para investigar el efecto, los científicos desarrollaron un modelo capaz de simular cómo se verían las ondas gravitacionales si fueran producidas por agujeros negros que se mueven a través de materia oscura (campos escalares), en lugar del espacio vacío. Después validaron los resultados al compararlos con simulaciones de relatividad numérica, para luego aplicar este modelo a datos reales del catálogo de observaciones de ondas gravitacionales de la colaboración LVK: LIGO (en Estados Unidos, Virgo (en Italia) y KAGRA (en Japón).
Los investigadores analizaron 28 eventos de fusión de agujeros negros registrados por estos observatorios y buscaron señales compatibles con la presencia de campos escalares.
¿Detectamos materia oscura hace siete años?
En la mayoría de los casos no se halló evidencia concluyente, más bien los datos seguían siendo compatibles con sistemas binarios “limpios”, sin materia oscura detectable alrededor. Sin embargo, dos eventos llamaron particularmente la atención: GW190814 y GW190728. En ambos casos, las observaciones parecían desviarse de las predicciones del vacío.
El caso más interesante fue GW190728, dectado originalmente en julio de 2019. Cuando los autores incorporaron en sus análisis un mecanismo llado superradiancia (un proceso teórico mediante el cual un agujero negro en rotación puede transferir energía a partículas ligeras cercanas) encontraron indicios tentativos de un entorno escalar alrededor del sistema binario. En otras palabras, hubo una concordancia con el modelo de materia oscura del equipo.
Según el estudio, los datos de GW190728 serían consistentes con una partícula de masa cercana a 10-12 electronvoltios, una cifra diminuta para los estándares de la física de partículas. A modo de comparación, un electrón es billones de veces más masivo. ¿Serán estos los indicios de materia oscura que la comunidad científica tanto ha buscado?
Todavía no saquen la champaña
Los investigadores son cautelosos y reconocen que la evidencia todavía es débil para afirmar que la materia oscura ha sido descubierta. “La significación estadística de este hallazgo no es lo suficientemente alta como para afirmar la detección de materia oscura, y se deberían realizar comprobaciones adicionales por parte de grupos independientes”, dijo Josu Aurrekoetxea, coautor del estudio.
El análisis no descarta por completo otras explicaciones astrofísicas o posibles efectos instrumentales. Además, el modelo utilizado hace aproximaciones que deberán refinarse en el futuro. Aun así, consideran que el resultado es suficientemente interesante como para justificar nuevas búsquedas con observaciones más precisas.
