Arredor do 27% da materia que existe no universo está aí, pero non se pode ver de xeito directo. A materia escura é esencial para explicar certos fenómenos gravitacionais observados pola comunidade científica, mais ninguén, ata o momento, conseguiu probar de que está feita. “É algo que sabemos que ten que estar aí polo movemento dos corpos en certas galaxias, pero que non podemos observar directamente”, explica Juan Calderón Bustillo, físico do Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE), centro con sede na Facultade de Física da Universidade de Santiago de Compostela. Calderón colidera xunto a Nicolás Sanchis-Gual, investigador postdoutoral na Universidade de Aveiro e no Instituto Superior Técnico (Universidade de Lisboa), un artigo publicado este mércores por Physical Review Letters e que recolle en portada a revista de ciencia da BBC, BBC Science Focus). Esta investigación podería achegar á ciencia a probar a existencia desta materia: a colisión de buracos negros observada en maio de 2019 por parte das colaboracións internacionais LIGO e VIRGO sería, en realidade, unha fusión de estrelas de bosóns, obxectos exóticos feitas de bosóns ultralixeiros, os candidatos teóricos máis plausibles para compoñer a materia escura.
De “buraco negro imposible” a unha colisión de estrelas de bosóns
En setembro de 2020, cando se publicou a análise da detección do sinal GW190521 por parte da colaboracións LIGO e Virgo, observada en maio de 2019, xa se avanzaba que aquilo implicaba a existencia dun “buraco negro imposible”. Era produto, a priori, da fusión de dous buracos negros de 85 e 66 veces a masa do Sol, o primeiro dos cales ten una masa “prohibida”, o que deu lugar a un buraco negro final de 142 masas solares, o cal a súa vez é o primero buraco neste rango de masas. Aquel achado sorprendente, no que participou Juan Calderón, abriu numerosas preguntas que aínda se manteñen. Pero tamén serviron para intentar buscar explicacións alén de que se tratase dunha colisión de buracos negros.
“Normalmente, cando se observa unha colisión de buracos negros, recibimos un sinal de onda gravitacional máis longo, que amosa como os dous obxectos están xirando un arredor do outro antes da colisión. Pero neste caso o sinal era moi curto”, explica Calderón. Xurdiu entón a posibilidade de explorar explicacións alternativas. E os froitos aparecen no artigo publicado esta semana.
“Intentamos ver outra posibilidade: que a colisión dos buracos negros fose frontal, polo que non veriamos ningún sinal antes. Pero si que había algo antes. Por outra banda, o sinal que recibimos en LIGO pode amosarnos como de rápido estaba a xirar o buraco negro resultante. Mais era unha velocidade moi rápida, difícil de conseguir cando a colisión é frontal, e preguntámonos entón que podería estar pasando“, continúa o físico galego.
Diante destas observacións, postulouse outra opción, que contemplase algún tipo de obxectos que non tivesen, como acontece cos buracos negros, un límite na súa velocidade de rotación. “Pensamos nas estrelas de bosóns, e vimos que o sinal se podería corresponder con elas”, engade Calderón.
Bosóns ultralixeiros
Estas estrelas son obxectos hipotéticos que constitúen un dos principais candidatos para formar o que coñecemos como materia escura, a cal representa aproximadamente o 27% de todo o contido do universo. Asumindo este tipo de colisión, o equipo foi capaz de calcular a masa do constituínte fundamental destas estrelas, unha nova partícula coñecida como bosón ultralixeiro, billóns de veces máis lixeira que un electrón.
As estrelas de bosóns, ao contrario dos buratos negros, non teñen o coñecido como “horizonte de sucesos”, o bordo de non retorno do que nada pode saír. Son tamén obxectos moi compactos, mais non se poden ver nin interactúan con nada, nin sequera coa luz, o que fixo que fosen relacionadas coa materia escura.
As claves do achado, con participación galega, do “buraco negro imposible”
Os resultados descritos neste artigo non só poderían significar a primeira observación de estrelas de bosóns, senón tamén dos bosóns ultralixeiros. Estas partículas foron propostas por moitos científicos como os compoñentes fundamentais da materia escura. Carlos Herdeiro, da Universidade de Aveiro, co-autor do artigo e un dos ‘pais’ deste tipo de estrelas, xa que propuxo a súa existencia, leva anos estudando estes fenómenos, e que leva anos investigando este tipo estrelas, engade que “un dos resultados máis fascinantes é que podemos medir a masa dunha hipotética partícula “escura” e que descartamos con toda probabilidade que esta sexa nula, como no caso do fotón que compón a luz.
O equipo comparou o sinal GW190521 con simulacións por computador de fusións de estrelas de bosóns e atoparon que estas explican os datos lixeiramente mellor que a análise realizada por LIGO e Virgo. O resultado implica que a fonte do sinal tería propiedades distintas ás que se prediciron orixinalmente. “En primeiro lugar, xa non estariamos a falar de buracos negros, o que elimina o problema de atoparse cun buraco negro prohibido”, explica Juan Calderón. “E en segundo lugar, dado que as fusións de estrelas de bosóns son moito máis débiles, concluímos que esta se produciu moito máis preto que o estimado por LIGO e Virgo, o que nos dá unha masa moito maior, dunhas 250 masas solares para o buraco negro que se forma ao final. Por tanto, o feito de observar un buraco negro de masa intermedia continúa sendo certo, aínda que este é agora moito máis pesado”.
“As estrelas de bosóns son case tan compactas como os buracos negros, pero a diferenza destes, carecen da súa famosa superficie de “non-retorno” ou “horizonte de sucesos”, explica Nicolás Sanchis-Gual, co autor do artigo. “Cando se fusionan, forman unha estrela hiper-masiva que se volve inestable e colapsa a un buraco negro. Este proceso xera un sinal idéntico ó que LIGO e Virgo observaron. Ao contrario que as estrelas normais, que están feitas do que adoitamos chamar materia, as estrelas de bosóns compoñeríanse de bosóns ultralixeiros, que son dos candidatos teóricos máis plausibles para compoñer o que coñecemos como materia escura”, continúa o investigador.
Our work on boson stars featured on the cover of BBC @sciencefocus!!! With the participation of @IGFAE_HEP @UnivAveiro @VirgoValencia @MonashAstro @ARC_OzGRav @CUHKofficial pic.twitter.com/stY09MaBBe
— Juan Calderón Bustillo (@juan__cb) February 19, 2021
Para a súa sorpresa, o equipo atopouse que a pesar de que as súas análises están deseñadas para “preferir” unha colisión de buracos negros, estes indican que a fusión de estrelas de bosóns é máis probable, aínda que de modo non conclusivo. “A nosa análise mostra que os dous escenarios teñen probabilidades similares, aínda que o das estrelas de bosóns é lixeiramente máis probable”, indica José A. Font, da Universidade de Valencia, outro dos asinantes do traballo.
“Isto é moi prometedor, xa que os nosos modelos para estas fusións son actualmente moi limitados e teñen moitísimo marxe de mellora. O uso de modelos máis completos podería revelar unha maior evidencia a favor das estrelas de bosóns e tamén nos permitiría estudar máis sinais de ondas gravitacionais baixo dita hipótese”, engade Font.
Implicacións
“Se este resultado é confirmado por futuras análises doutras ondas gravitacionais, o noso resultado supoñería a primeira evidencia observacional do, buscada por décadas, compoñente fundamental da materia escura”, destacan os autores do traballo, no que tamén colaboraron a Monash University (Australia) e a Chinese University de Hong Kong.
O achado é un dos moitos froitos do estudo das ondas gravitacionais, ondas no tecido do espazo-tempo que viaxan á velocidade da luz e cuxa existencia foi enunciada por Einstein en 1916 dentro da súa teoría Xeral da Relatividade. Estas ondas orixínanse nos eventos máis violentos do Universo, levando consigo a información sobre a súa orixe. Desde 2015, o ser humano pode observar e interpretar ondas gravitacionais grazas aos dous detectores Advanced LIGO (Livingston e Hanford, Estados Unidos e ao detector Virgo (Cascina, Italia). Ata o de agora, estes detectores observaron unhas 50 ondas gravitacionais, orixinadas durante as fusións de dúas dos entes máis misteriosos do universo -buracos negros e estrelas de neutróns-, e que nos permitiron saber máis acerca destes obxectos. Os científicos que impulsaron a detección destas ondas recibiron o Premio Nobel de Física en 2017.
Malia os descubrimentos acumulados en só 6 anos, o potencial real das ondas gravitacionais vai moito máis alá. No futuro, poderían permitirnos observar novos tipos de obxectos celestes e dar pistas sobre problemas fundamentais da ciencia como, por exemplo, a natureza da materia escura, un avance no que o traballo coliderado desde o IGFAE podería abrir un interesante camiño.
Referencia: “GW190521 as a merger of Proca stars: a potential new vector boson of 8.7 × 10−13 eV”. (Publicado en Physical Review Letters).
