Primera se?al de una estrella invisible que puede explicar el enigma de la materia oscura

Una se?al de ondas gravitacionales generada hace m¨¢s de 7.000 millones de a?os ¡ªla mayor que se ha captado hasta la fecha¡ª se ha convertido en uno de los fen¨®menos m¨¢s controvertidos y apasionantes de la f¨ªsica actual, pues con las leyes del universo en la mano no deber¨ªa existir.

En mayo de 2019 dos sofisticados detectores capaces de captar estas ¨ªnfimas ondulaciones del espacio-tiempo predichas por Einstein vieron esta se?al.

Un equipo internacional con cientos de cient¨ªficos de ambos detectores ¡ªLIGO, en EEUU, y Virgo, en Europa¡ª analiz¨® durante meses esta onda, que dur¨® apenas una d¨¦cima de segundo. En septiembre llegaron a una conclusi¨®n conservadora ¡ªaburrida¡ª o como algunos f¨ªsicos lo calificaron ¡°sabor vainilla¡±: era fruto de la fusi¨®n de dos agujeros negros. Pero hab¨ªa un problema. Al menos uno de esos agujeros negros no pod¨ªa existir con las leyes de la f¨ªsica estelar en la mano. En la cabeza de muchos f¨ªsicos surgieron multitud de explicaciones m¨¢s arriesgadas y excitantes, pues supon¨ªan entrever fen¨®menos completamente nuevos, part¨ªculas desconocidas, algo tan ex¨®tico e inesperado como un helado de fabada.

Hoy, parte de los cient¨ªficos de LIGO y Virgo publican un nuevo estudio en el que se tiran a la piscina con una explicaci¨®n arriesgad¨ªsima pero plausible: aquella se?al no la produjeron dos agujeros negros sino dos estrellas transparentes hechas de part¨ªculas nunca observadas que son billones de veces m¨¢s ligeras que un electr¨®n. Se llaman bosones ultraligeros y en teor¨ªa pueden ser la explicaci¨®n a uno de los mayores enigmas del universo: ?qu¨¦ es la materia oscura, el misterioso componente que constituye el 27% del universo mientras la materia conocida compone solo el 5%?

Estas estrellas fueron teorizadas a finales de la d¨¦cada de los 50 y descritas en mayor detalle en la d¨¦cada posterior. Se tratar¨ªa de astros hechos de part¨ªculas que no emiten luz, como los agujeros negros. Pero en lugar de ser un gran punto oscuro en el firmamento, ser¨ªan completamente transparentes a nuestros ojos. Hasta ahora no se ha podido comprobar su existencia porque falta la tecnolog¨ªa necesaria y modelos que expliquen bien su comportamiento.

¡°Una vez creado, un agujero negro no est¨¢ hecho de nada, es solo una zona de universo en la que si entras nunca podr¨¢s salir¡±

Juan Calder¨®n, IGFAE

Cuando en mayo de 2019 se capt¨® esa onda gravitacional que no deber¨ªa existir, el equipo del astrof¨ªsico Jos¨¦ Antonio Font llevaba ya a?os trabajando en un modelo matem¨¢tico capaz de predecir el comportamiento de las estrellas de bosones. Los f¨ªsicos las denominan ¡°objetos imitadores de agujeros negros¡± por las propiedades que comparten con estos cuerpos.

¡°La mayor diferencia entre ambos es que una estrella de bosones ultraligera no tiene un horizonte de sucesos [el punto de no retorno], por lo que no nos tragar¨ªa sin posibilidad de salir jam¨¢s. Habr¨ªa una v¨ªa de escape¡±, explica Juan Calder¨®n Bustillo, investigador del Instituto Gallego de F¨ªsica de Altas Energ¨ªas (IGFAE) y miembro de la colaboraci¨®n LIGO.

Calder¨®n ha sido el responsable del an¨¢lisis estad¨ªstico del nuevo estudio sobre la se?al de ondas gravitacionales, que se publica hoy en la prestigiosa revista Physical Review Letters. Su colega Nicol¨¢s Sanch¨ªs-Gual, de la Universidad de Lisboa, ha hecho las simulaciones matem¨¢ticas de estos objetos. El equipo ha comparado qu¨¦ modelo explica mejor la se?al captada, si los agujeros negros o el suyo. Los resultados muestran que el segundo es unas ocho veces m¨¢s probable, explica Calder¨®n.

Es un primer resultado apasionante, pero muy preliminar. En t¨¦rminos estad¨ªsticos la probabilidad de que lo que dicen estos cient¨ªficos sea cierto es de unos dos sigmas. Pero para clamar un descubrimiento en f¨ªsica se necesitan cinco sigmas: una sola posibilidad entre casi dos millones de que lo que se afirma sea falso.

La prueba m¨¢s interesante que aportan estos f¨ªsicos es que han calculado la masa del bos¨®n ultraligero que formar¨ªa estas estrellas. Su resultado encaja con las predicciones te¨®ricas de estas part¨ªculas.

Los bosones son uno de los dos tipos b¨¢sicos de part¨ªculas elementales de las que est¨¢ hecha la naturaleza. Hay cuatro bosones que transmiten fuerza, uno de ellos bien conocido transmite fuerza electromagn¨¦tica: el fot¨®n, la part¨ªcula de la luz. Existe otro c¨¦lebre bos¨®n con otra funci¨®n: aportar masa al resto de part¨ªculas elementales, el bos¨®n de Higgs. El resto de la materia est¨¢ hecha de otra part¨ªcula elemental ¡ªfermiones¡ª, como el electr¨®n. Aqu¨ª se acaba la descripci¨®n de los ladrillos b¨¢sicos de la materia que compone todo cuanto vemos y tocamos los humanos. Es un modelo que solo describe el 5% del universo. El resto son cosas completamente desconocidas: la materia oscura, que compondr¨ªa el 27% del cosmos, y la energ¨ªa oscura, que explicar¨ªa el 68% restante.

Los bosones ultraligeros habitar¨ªan en ese territorio desconocido. Estas part¨ªculas interactuar¨ªan con la materia convencional solo por su fuerza gravitatoria. ¡°Si existen, podr¨ªan acumularse y formar estrellas de materia oscura¡±, explica Calder¨®n. Esto explicar¨ªa los efectos de la materia oscura en el universo, que son bien patentes, pues sin su empuje gravitatorio galaxias como la V¨ªa L¨¢ctea se desmoronar¨ªan y posiblemente no podr¨ªan albergar planetas con vida inteligente. Demostrar que los bosones ultraligeros son los responsables de estos efectos ser¨ªa un hallazgo hist¨®rico, pues abrir¨ªa una nueva dimensi¨®n de la f¨ªsica y de nuestra comprensi¨®n del cosmos.

¡°Si realmente estamos ante una estrella compuesta de axiones [part¨ªculas de materia oscura] veremos m¨¢s se?ales de este tipo. Esta historia evolucionar¨¢ en el tiempo¡±

Rainer Weiss, Nobel de F¨ªsica 2017

Los autores del trabajo por ahora son muy cautos. ¡°Esto es solo una prueba de concepto, un indicio de que las ondas gravitacionales se pueden usar de forma heterodoxa para descubrir una f¨ªsica nueva¡±, explica Font. ¡°Nuestro estudio dice que puede existir un bos¨®n ultraligero que podr¨ªa ser la materia oscura. Nos basamos por ahora en un solo caso, pero las probabilidades de que estemos en lo cierto son ligeramente superiores a que se trate de agujeros negros¡±, se?ala.

Cuando dos estrellas de bosones chocan, se unen para formar otra mayor, pero casi instant¨¢neamente colapsan para engendrar un agujero negro. Demostrar esto es importante porque supondr¨ªa una nueva forma de crear agujeros negros que no necesita estrellas convencionales. Pero probarlo es endiabladamente dif¨ªcil. ¡°Una vez creado, un agujero negro no est¨¢ hecho de nada, es solo una zona de universo en la que si entras nunca podr¨¢s salir¡±, explica Calder¨®n. La ¨²nica forma de probar la teor¨ªa de las estrellas de bosones est¨¢ en la primera parte de la onda gravitacional, que dura menos que la cent¨¦sima parte de un segundo. ¡°Pronto vamos a tener m¨¢s se?ales de este tipo, podremos aplicarle nuestro modelo y saber si lo que decimos tiene m¨¢s sentido¡±, asegura Font.

El f¨ªsico estadounidense Rainer Weiss, ganador del Nobel de F¨ªsica en 2017 por ser uno de los padres de LIGO, aporta su opini¨®n sobre el trabajo. ¡°Esta se?al de ondas gravitacionales tiene dos cosas fuera de lo normal¡±, explica a este diario. ¡°Implica la existencia de cuerpos de masas muy grandes y una colisi¨®n de frente. Ambos son muy poco frecuentes entre todas las ondas gravitacionales que hemos detectado hasta ahora. Si realmente estamos ante una estrella compuesta de axiones [part¨ªculas de materia oscura] veremos m¨¢s se?ales de este tipo. Esta historia evolucionar¨¢ en el tiempo¡±, advierte.

Puedes seguir a MATERIA en Facebook, Twitter, Instagram o suscribirte aqu¨ª a nuestra newsletter.