Un equipo internacional de científicos liderado por el Instituto Gallego de Física de Altas Energías (IGFAE) y la Universidad de Aveiro muestra que la colisión de agujeros negros más intensa jamás observada, producido por la onda gravitacional GW190521, en realidad podría ser algo aún más misterioso:la fusión de dos estrellas de bosones. Esta sería la primera evidencia de la existencia de estos objetos hipotéticos, que son candidatos a la materia oscura, se cree que comprende el 27% de la masa del universo.

Las ondas gravitacionales son ondas en el tejido del espacio-tiempo que viajan a la velocidad de la luz. Estos se originan en los eventos más violentos del universo, llevando información sobre sus fuentes. Desde 2015, los dos detectores LIGO en los EE. UU. y el detector Virgo en Cascina, Italia, han detectado e interpretado ondas gravitacionales. Hasta la fecha, estos detectores ya han observado alrededor de 50 señales de ondas gravitacionales. Todos estos se originaron en las colisiones y fusiones de agujeros negros y estrellas de neutrones, permitiendo a los físicos profundizar el conocimiento sobre estos objetos.

Sin embargo, la promesa de ondas gravitacionales va mucho más allá de esto, ya que estos eventualmente deberían proporcionarnos evidencia de objetos previamente no observados e incluso inesperados, y arrojar luz sobre misterios actuales como la naturaleza de la materia oscura. Este último puede, sin embargo, ya han pasado.

En septiembre de 2020, la colaboración entre LIGO y Virgo (LVC) anunció al mundo la señal de ondas gravitacionales GW190521. Según su análisis, la señal era consistente con la colisión de dos agujeros negros pesados, de 85 y 66 veces la masa del sol, que produjo un agujero negro final con 142 masas solares. El agujero negro resultante fue el primero de un nuevo, familia de agujeros negros previamente no observada:agujeros negros de masa intermedia. Este descubrimiento es de suma importancia, como tales, los agujeros negros eran el eslabón perdido entre dos conocidas familias de agujeros negros:agujeros negros de masa estelar que se forman a partir del colapso de estrellas, y agujeros negros supermasivos que residen en el centro de casi todas las galaxias, incluida la Vía Láctea.

Además, esta observación vino con un desafío enorme. Si lo que creemos saber sobre cómo viven y mueren las estrellas es correcto, el más pesado de los agujeros negros en colisión (85 masas solares) no pudo formarse a partir del colapso de una estrella al final de su vida, lo que abre un abanico de dudas y posibilidades sobre sus orígenes.

En un artículo publicado hoy en Cartas de revisión física , un equipo de científicos liderado por el Dr. Juan Calderón Bustillo en el Instituto Gallego de Física de Altas Energías (IGFAE), centro conjunto de la Universidad de Santiago de Compostela y Xunta de Galicia, y Dr. Nicolás Sanchis-Gual, investigador postdoctoral en la Universidad de Aveiro y el Instituto Superior Técnico (Univ. Lisboa), junto a colaboradores de la Universidad de Valencia, Universidad de Monash y Universidad China de Hong Kong, ha propuesto una explicación alternativa para el origen de la señal GW190521:la colisión de dos objetos exóticos conocidos como estrellas de bosones, que son uno de los candidatos más probables para explicar la materia oscura. En su análisis, el equipo pudo estimar la masa de una nueva partícula constituyente de estas estrellas, un bosón ultraligero con una masa miles de millones de veces más pequeña que los electrones.

El equipo comparó la señal GW190521 con simulaciones por computadora de fusiones de estrellas de bosones, y descubrió que estos en realidad explican los datos un poco mejor que el análisis realizado por LIGO y Virgo. El resultado implica que la fuente tendría propiedades diferentes a las indicadas anteriormente. El Dr. Calderón Bustillo dice:"Primero, ya no estaríamos hablando de la colisión de agujeros negros, lo que elimina el problema de lidiar con un agujero negro 'prohibido'. Segundo, porque las fusiones de estrellas de bosones son mucho más débiles, inferimos una distancia mucho más cercana que la estimada por LIGO y Virgo. Esto conduce a una masa mucho mayor para el agujero negro final, de unas 250 masas solares, de modo que el hecho de que hayamos presenciado la formación de un agujero negro de masa intermedia sigue siendo cierto ".

El Dr. Nicolás Sanchis-Gual dice:"Las estrellas de bosones son objetos casi tan compactos como los agujeros negros pero, a diferencia de ellos, no tienen una superficie de "no retorno". Cuando chocan forman una estrella de bosones que puede volverse inestable, eventualmente colapsando en un agujero negro, y producir una señal consistente con lo que observaron LIGO y Virgo. A diferencia de las estrellas regulares, que están hechos de lo que comúnmente conocemos como materia, Las estrellas de bosones están formadas por lo que conocemos como bosones ultraligeros. Estos bosones son uno de los candidatos más atractivos para constituir lo que conocemos como materia oscura ".

El equipo descubrió que, aunque el análisis tiende a favorecer la hipótesis de la fusión de los agujeros negros, los datos prefieren una fusión de estrellas de bosones, aunque de forma no concluyente. El profesor José A. Font de la Universidad de Valencia dice:"Nuestros resultados muestran que los dos escenarios son casi indistinguibles dados los datos, aunque se prefiere ligeramente la hipótesis de la estrella de bosones exóticos. Esto es muy emocionante ya que nuestro modelo de estrella de bosón es, a partir de ahora, muy limitado, y sujeto a importantes mejoras. Un modelo más evolucionado puede conducir a una evidencia aún mayor para este escenario y también nos permitiría estudiar observaciones previas de ondas gravitacionales bajo el supuesto de fusión de estrellas y bosones ".

Este resultado no solo implicaría la primera observación de estrellas de bosones, sino también el de su bloque de construcción, una nueva partícula conocida como bosón ultraligero. El profesor Carlos Herdeiro de la Universidad de Aveiro dice:"Uno de los resultados más fascinantes es que en realidad podemos medir la masa de esta supuesta nueva partícula de materia oscura, y que un valor de cero se descarta con alta confianza. Si lo confirma el análisis posterior de esta y otras observaciones de ondas gravitacionales, nuestro resultado proporcionaría la primera evidencia de observación para un candidato de materia oscura buscado durante mucho tiempo ".