Se cree que la materia oscura constituye la mayor parte de la materia del universo, pero los científicos aún tienen que observarla directamente. A diferencia de la materia normal, la materia oscura no interactúa con la luz ni con la energía electromagnética, por lo que la gravedad es la única forma de detectar su presencia. Ahora, los investigadores creen que la colisión de agujeros negros puede proporcionar una nueva forma de buscar pistas sobre esta sustancia invisible.
Físicos del MIT y de varias instituciones europeas han desarrollado un método para detectar posibles signos de materia oscura oculta en ondas gravitacionales. Estas ondas en el espacio y el tiempo se crean cuando objetos masivos como los agujeros negros forman espirales. Si estos agujeros negros viajan a través de densas nubes de materia oscura antes de colisionar, las ondas gravitacionales resultantes pueden contener rastros sutiles de esa interacción.
El equipo probó su enfoque utilizando datos disponibles públicamente recopilados por LIGO-Virgo-KAGRA (LVK), la red internacional de observatorios de ondas gravitacionales que monitorean las fusiones de agujeros negros y otros eventos cósmicos distantes.
Buscando ondas gravitacionales en busca de pistas de materia oscura
Los investigadores analizaron las señales recopiladas durante las tres primeras series de observación del LVK. Se centraron en 28 de los eventos de ondas gravitacionales más claros jamás detectados.
En 27 eventos, las señales coincidieron con lo que los científicos esperarían de un agujero negro fusionándose en el espacio vacío. Pero una señal, conocida como GW190728, parecía diferente. Según el análisis del equipo, esos patrones de ondas gravitacionales pueden contener evidencia de interacciones con la materia oscura.
Los investigadores subrayan que esto no supone un descubrimiento definitivo de la materia oscura. En cambio, la nueva técnica proporciona una manera de escanear datos de ondas gravitacionales en busca de señales prometedoras que luego puedan investigarse más a fondo.
“Sabemos que la materia oscura está a nuestro alrededor. Debería ser lo suficientemente densa como para que podamos ver sus efectos”, dijo Josué Orequetxia, postdoctorado en el Departamento de Física del MIT. “Los agujeros negros proporcionan un mecanismo para aumentar esta densidad, que ahora podemos investigar analizando las ondas gravitacionales emitidas durante las fusiones”.
Los resultados aparecen en Physical Review Letters. Aurrekoetxea fue coautor del estudio con Saumen Roy, miembro de LVK de la Universidad Católica de Lovaina (UCLouvain) en Bélgica, Rodrigo Vicente de la Universidad de Ámsterdam, Katy Clough de la Universidad Queen Mary de Londres y Pedro Ferreira de la Universidad de Oxford.
Cómo los agujeros negros pueden acelerar la materia oscura
La materia oscura es uno de los mayores misterios de la física. Los científicos plantean la hipótesis de su existencia porque la gravedad alrededor de la galaxia parece ser más fuerte que la de la materia visible sola. Las observaciones de lentes gravitacionales, donde la luz se curva alrededor de las galaxias, sugieren que una fuente adicional de masa invisible está influyendo en el espacio.
Las estimaciones actuales sugieren que la materia oscura puede representar más del 85 por ciento de la materia del universo. Sin embargo, los investigadores aún no saben en qué consiste realmente la materia oscura.
Una forma propuesta involucra partículas extremadamente livianas llamadas partículas “escalares ligeras”. Las teorías sugieren que estas partículas pueden comportarse como ondas coherentes cerca de los agujeros negros.
Los científicos creen que cuando estas ondas encuentran un agujero negro que gira rápidamente, la energía rotacional del agujero negro puede transferirse a las ondas de materia oscura, aumentando dramáticamente su densidad. Este proceso, conocido como superradiancia, se ha comparado con batir nata en mantequilla.
Si la densidad es lo suficientemente alta, la materia oscura puede modificar las ondas gravitacionales que se producen cuando los agujeros negros chocan.
Predecir huellas de materia oscura en el espacio-tiempo
Para investigar esta posibilidad, los investigadores crearon simulaciones detalladas de fusiones de agujeros negros en diversas condiciones. Dependen de varios factores, incluida la masa y el tamaño del agujero negro, la cantidad de materia oscura circundante y la densidad de esa materia.
Utilizando estas simulaciones, el equipo predijo cómo aparecerían las ondas gravitacionales si los agujeros negros se fusionaran en un entorno denso de materia oscura en lugar de un vacío.
El modelo también tuvo en cuenta cómo cambiarían estas ondas a medida que viajaran millones de años luz antes de llegar al detector en la Tierra.
Luego, los investigadores compararon sus predicciones con observaciones reales del LVK. De las 28 señales potentes analizadas, GW190728 es el único evento que parece concordar con el escenario de la materia oscura.
GW190728 se detectó por primera vez el 28 de julio de 2019. Estudios anteriores determinaron que la señal provenía de dos agujeros negros con una masa combinada 20 veces mayor que la del Sol. Según el nuevo análisis, esos agujeros negros pueden fusionarse en densas nubes de materia oscura.
Una nueva herramienta prometedora para la investigación de la materia oscura
“La importancia estadística de esto no es suficiente para afirmar que se ha detectado materia oscura, y grupos independientes deberían realizar más controles”, afirmó Orecotxia. “Lo que creemos que es importante destacar es que sin modelos de forma de onda como el nuestro, podemos detectar fusiones de agujeros negros en entornos de materia oscura, pero las clasificamos sistemáticamente como que ocurren en el vacío”.
Los investigadores afirman que el creciente número de observaciones de ondas gravitacionales podría hacer que este método sea cada vez más viable en los próximos años.
“Ahora tenemos el potencial de descubrir materia oscura alrededor de los agujeros negros a medida que los detectores LVK continúen recopilando datos en los próximos años”, dijo el coautor Soumen Roy, quien dirigió la parte de análisis de datos del trabajo. “Este es un momento emocionante para explorar nueva física utilizando ondas gravitacionales”.
“Usar agujeros negros para buscar materia oscura sería fantástico”, añadió el coautor Rodrigo Vicente, quien creó el modelo analítico de la señal. “Podremos investigar la materia oscura a escalas mucho más pequeñas que nunca”.
La investigación contó con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. y el Centro de Física Teórica del MIT, un Instituto Leinweber.
