Nueva teoría conecta agujeros negros, materia oscura y ondas gravitacionales

Los últimos años han sido increíbles para los descubrimientos de la física. Los científicos descubrieron el bosón de Higgs, una partícula que habían estado cazando durante casi 50 años, en 2012, y las ondas gravitacionales, que se teorizaron hace 100 años, en 2016. Este año, están programados para tomar una fotografía de un agujero negro . Así que, algunos teóricos pensaron, ¿por qué no combinar las ideas más locas de la física en una?

¿Qué pasa si, por ejemplo, tratamos de detectar la materia oscura que se irradia de los agujeros negros a través de sus ondas gravitatorias?

Realmente no es tan extraña la idea.

Ahora que los científicos han detectado ondas gravitacionales, las ondulaciones en el espacio-tiempo generadas por los eventos físicos más violentos, quieren usar su descubrimiento para hacer observaciones físicas reales.

Ellos piensan que tienen una manera de detectar todas las nuevas partículas que podrían componer la materia oscura, una sustancia desconocida que representa más del 80 por ciento de toda la gravedad en el universo.

“La idea básica es que estamos tratando de usar los agujeros negros … los objetos más densos y compactos del universo para buscar nuevos tipos de partículas”, dijo Masha Baryakhtar, investigadora postdoctoral del Perimeter Institute for Theoretical Physics in Canada.

Especialmente una partícula: “El axion. La gente la ha estado buscando durante 40 años “.

Los agujeros negros son los sumideros del universo, tan fuertes que la luz no puede escapar de su atracción una vez que ha entrado.

Tienen campos gravitacionales tan poderosos que producen ondas gravitatorias cuando chocan entre sí.

La materia oscura podría no estar hecha de partículas (partículas de masa y energía), pero si lo fueran, podríamos observarlas como axiones, partículas alrededor de un quintillón (mil millones de billones) de veces más ligeras que un electrón, alrededor de agujeros negros.

Ahora que entiende todos los términos, aquí está cómo funciona la teoría.

Baryakhtar y sus compañeros piensan que los agujeros negros son más que simples trampas para la luz, núcleos en el centro de una especie de átomo gravitatorio.

Los axiones serían los electrones, por así decirlo.

Si ya sabe acerca de los agujeros negros, sabe que tienen discos de  de gas de alta energía increíblemente caliente en órbita, producidos por la fricción entre las partículas aceleradas por la gravedad del agujero negro.

Esta teoría ignora esa materia, puesto que los axiones no interaccionarían vía fricción.

Siguiendo con la analogía del átomo, los axiones pueden saltar alrededor del agujero negro, ganando y perdiendo energía de la misma manera que los electrones.

Pero los electrones interactúan a través del electromagnetismo, por lo que dejan salir ondas electromagnéticas u ondas de luz.

Los axones interactúan a través de la gravedad, por lo que liberan ondas gravitatorias.

Pero los axiones son pequeños. A diferencia de un átomo diminuto, el agujero negro en estos “átomos de gravedad” gira, sobrealimentando el espacio alrededor de él y persuadiéndolo a producir más axiones.

A pesar de la minúscula masa del axión, este llamado proceso de superradiación podría generar 10⁸⁰ axiones, el mismo número de átomos en todo el universo, alrededor de un solo agujero negro.

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“Vería esto a una frecuencia particular que sería aproximadamente el doble de la masa axión”, dijo Baryakhtar.

Hay detectores de ondas gravitacionales gigantes dispersos alrededor del mundo; Actualmente hay uno llamado LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) en el Estado de Washington, otro LIGO en Louisiana y uno llamado Virgo en Italia que son lo suficientemente sensibles para detectar ondas gravitacionales y con mejoras para detectar axiones y probar si su teoría es correcta.

Los científicos necesitarían esencialmente grabar datos, reproducirlos y ajustar su análisis como una radio para captar la señal en la frecuencia correcta.

Hay otras maneras en que el equipo piensa que podría detectar este efecto de superradiación, midiendo los giros en conjuntos de agujeros negros colisionando.

Si los agujeros negros realmente producen axiones, los científicos verían muy pocos agujeros negros de giro rápido en colisiones, ya que los efectos de superradiación ralentizarían algunos de los agujeros negros colisionando y crearían un efecto visible en los datos, según la investigación publicada este mes En la revista Physical Review D.

Los giros del agujero negro tendrían un patrón específico que deberíamos ser capaces de detectar en los datos del detector de ondas gravitacionales.

Hay algunos inconvenientes, como con cualquier teoría.

Estos átomos teorizados de agujero negro tendrían que producir axiones de una cierta masa, pero esa masa no es ideal para que el axión sea una partícula de materia oscura, dijo Prescod-Weinstein.

Además, la segunda idea de detección, la que observa la velocidad de giro de los agujeros negros que chocan, podría no funcionar.

El Dr. Lionel London, investigador asociado de la Facultad de Física y Astronomía de la Universidad de Cardiff, especializado en la modelización de ondas gravitatorias, dijo en el artículo que no tienen en cuenta la posible influencia de otro agujero negro.

“Si esto resulta ser un efecto significativo y no lo están incluyendo, esto podría poner en duda sus resultados”.

Pero hay esperanza. “Hay buenas razones para creer que el efecto de un [agujero negro] compañero no será grande”.

¿Cuándo podremos detectar este tipo de eventos?

Ahora, los detectores de ondas gravitacionales LIGO y Virgo probablemente no estén listos. “Con la sensibilidad actual estamos al borde” de detectar axiones, dijo Baryakhtar.

“Pero LIGO continuará mejorando sus instrumentos y a la sensibilidad del diseño podríamos ver hasta 1000 de estas señales de axiones entrando”, dijo.

Por lo tanto, si ha llegado hasta este punto de la historia y aún no entiende lo que está pasando, un resumen:

Tenemos estos detectores de ondas gravitacionales que cuestan cientos de millones de dólares cada uno, que son buenos localizando cosas realmente locas sucediendo en el universo.

Los teóricos han encontrado una manera interesante de usarlos para resolver uno de los misterios interestelares más importantes: ¿Qué diablos es la materia oscura? Como con la mayoría de las nuevas ideas en física teórica, esto es algo genial para pensar y aún no está listo para su gran momento … todavía.

Fuente: Gizmodo