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Un equipo científico liderado en Galicia teoriza el origen de la enigmática materia oscura

Creen que la mayor colisión de agujeros negros registrada es una inédita fusión entre estrellas de bosones | ”Comprender la materia oscura es uno de los santos griales de la física”, indican

El físico Juan Calderón, ayer, en el Instituto Galego de Fisica de Altas Enerxias en Santiago, ante la Ilustración de la fusión de dos estrellas de bosones.

El físico Juan Calderón, ayer, en el Instituto Galego de Fisica de Altas Enerxias en Santiago, ante la Ilustración de la fusión de dos estrellas de bosones. XOÁN ÁLVAREZ

Una fusión de estrellas de bosones –un objeto teórico que aún no ha sido observado– podría explicar el origen de una misteriosa onda gravitacional detectada en septiembre de 2020 y atribuida inicialmente a la fusión de dos agujeros negros. Y ese fenómeno podría también probar la existencia de la materia oscura. Es una de las conclusiones de la investigación de un equipo internacional de científicos, liderado por el Instituto Gallego de Física de Altas Energías (IGFAE), con el físico gallego Juan Calderón Bustillo y la Universidad de Aveiro.

Su estudio se replantea qué fue lo que produjo aquella onda gravitacional GW190521 y halla la que podría ser la primera prueba de la existencia de estos objetos hipotéticos que constituyen uno de los principales candidatos para formar la materia oscura. “Aunque de momento no es nada concluyente, es muy emocionante pensar que a lo mejor hemos encontrado de qué está hecha la materia oscura. Sí podría ser la primera de una serie de medidas que nos lleven a entender qué es lo que forma nada menos que el 27% de nuestro Universo.

Además, es la primera vez que se puede poner en ‘duda’ que todo lo que estemos observando con ondas gravitacionales sean agujeros negros (y estrellas de neutrones), y no otro tipo de objetos”, explica desde Santiago el físico Juan Calderón (Santiago de Compostela, 1988). También, reconoce que este hallazgo (saber de qué está hecha la materia oscura) “es uno de los santos griales de la física, aunque no sé si la mayor incógnita”. Ahora deberán confirmarlo o, quizás, descartarlo”.

¿Qué son las ondas gravitacionales?

Las ondas gravitacionales son olas en el tejido del espacio-tiempo que viajan a la velocidad de la luz y cuya existencia fue predicha por Einstein en 1916 dentro de su teoría General de la Relatividad. Estas ondas se originan en los eventos más violentos del Universo, llevando consigo la información sobre dicho origen.

Desde 2015, el ser humano puede observar e interpretar ondas gravitacionales gracias a los dos detectores Advanced LIGO (Livingston y Hanford, EE UU) y al detector Virgo (Cascina, Italia). Hasta ahora, estos detectores han observado alrededor de 50 ondas gravitacionales, originadas durante las fusiones de dos de los entes más misteriosos del universo –agujeros negros y estrellas de neutrones–, y que nos han permitido saber más acerca de estos objetos.

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En septiembre de 2020, las colaboraciones científicas LIGO y Virgo (LVC), anunciaron la onda gravitacional GW190521. De acuerdo con el análisis realizado, esta señal era compatible con la fusión de dos agujeros negros de 85 y 66 veces la masa del Sol, lo que dio lugar a un agujero negro final de 142 masas solares. Éste último es el primero de una nueva familia de agujeros negros: los agujeros negros de masa intermedia.

Tal descubrimiento reviste una gran importancia, ya que dichos agujeros negros eran considerados una especie de eslabón perdido entre dos familias ya conocidas: los agujeros negros de masa estelar que se forman por el colapso de una estrella y los agujeros negros supermasivos que se esconden en los centros de las galaxias, incluyendo nuestra Vía Láctea.

Una partícula hipotética llamada bosón ultraligero

En un artículo publicado en Physical Review Letters, el equipo de científicos liderado por Juan Calderón Bustillo, “La Caixa Junior Leader - Marie Curie Fellow” en el Instituto Gallego de Física de Altas Energías (IGFAE), de la Universidad de Santiago de Compostela y la Xunta, y Nicolás Sanchis-Gual, investigador postdoctoral en la Universidad de Aveiro y en el Instituto Superior Técnico (Univ. Lisboa), junto con colaboradores de la Universidad de Valencia, Monash University (Australia) y la Chinese University of Hong Kong ha propuesto un nuevo origen para esa señal: la fusión de dos objetos exóticos conocidos como estrellas de bosones.

El equipo fue capaz de calcular la masa del constituyente fundamental de estas estrellas, una nueva partícula conocida como bosón ultraligero, billones de veces más ligera que un electrón. Luego, comparó la onda GW190521 con simulaciones por ordenador de fusiones de estrellas de bosones y encontraron que éstas explican los datos ligeramente mejor que el análisis realizado por LIGO y Virgo. El resultado implica que la fuente de dicha señal tendría propiedades distintas a las predichas originalmente. “Dado que las fusiones de estrellas de bosones son mucho más débiles, concluímos que ésta se produjo mucho más cerca que lo estimado por LIGO y Virgo, lo que nos da una masa mucho mayor, de unas 250 masas solares para el agujero negro que se forma al final. Por lo tanto, el hecho de haber observado un agujero negro de masa intermedia continúa siendo cierto, si bien éste es ahora mucho más pesado”, apunta Calderón Bustillo.

“Las estrellas de bosones son casi tan compactas como los agujeros negros, pero a diferencia de éstos, carecen de su famosa superficie de “no-retorno” u “horizonte de sucesos”, explica Sanchis-Gual. “Cuando se fusionan, forman una estrella hiper-masiva que se vuelve inestable y colapsa a un agujero negro. Este proceso genera una señal idéntica a la que LIGO y Virgo observaron. Al contrario que las estrellas normales, que están hechas de lo que solemos llamar materia, las estrellas de bosones se compondrían de bosones ultraligeros, que son de los candidatos teóricos más plausibles para componer lo que conocemos como materia oscura”.

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