Se pueden formar nubes de partículas ultraligeras alrededor de los agujeros negros giratorios. Un equipo de físicos de la Universidad de Amsterdam y la Universidad de Harvard ahora muestran que estas nubes dejarían una huella característica en las ondas gravitacionales emitidas por los agujeros negros binarios.

En general, se cree que los agujeros negros se tragan todas las formas de materia y energía que los rodean. Sin embargo, se sabe desde hace mucho tiempo que también pueden perder parte de su masa a través de un proceso llamado superradiación. Si bien se sabe que este fenómeno ocurre, solo es efectivo si existen en la naturaleza partículas nuevas, hasta ahora no observadas, con una masa muy baja, como lo predicen varias teorías más allá del modelo estándar de física de partículas.

Átomos gravitacionales ionizantes

Cuando la masa se extrae de un agujero negro a través de la superradiación, forma una gran nube alrededor del agujero negro, creando el llamado átomo gravitacional. A pesar del tamaño inmensamente mayor de un átomo gravitacional, la comparación con los átomos submicroscópicos es precisa debido a la similitud del agujero negro más su nube con la estructura familiar de los átomos ordinarios, donde las nubes de electrones rodean un núcleo de protones y neutrones.

En una publicación que apareció en Physical Review Letters esta semana, un equipo formado por los físicos de UvA Daniel Baumann, Gianfranco Bertone y Giovanni Maria Tomaselli, y el físico de la Universidad de Harvard John Stout, sugieren que la analogía entre los átomos ordinarios y gravitacionales va más allá de la simple similitud en la estructura. Afirman que, de hecho, la semejanza puede explotarse para descubrir nuevas partículas con los próximos interferómetros de ondas gravitacionales.

En el nuevo trabajo, los investigadores estudiaron el equivalente gravitatorio del llamado "efecto fotoeléctrico". En este conocido proceso, que por ejemplo se aprovecha en las células solares para producir una corriente eléctrica, los electrones ordinarios absorben la energía de las partículas de luz incidentes y, por lo tanto, son expulsados ​​de un material:los átomos se "ionizan". En el análogo gravitacional, cuando el átomo gravitacional es parte de un sistema binario de dos objetos pesados, se ve perturbado por la presencia del compañero masivo, que podría ser un segundo agujero negro o una estrella de neutrones. Así como los electrones en el efecto fotoeléctrico absorben la energía de la luz incidente, la nube de partículas ultraligeras puede absorber la energía orbital del compañero, de modo que parte de la nube es expulsada del átomo gravitatorio.

Encontrar nuevas partículas

El equipo demostró que este proceso puede alterar drásticamente la evolución de tales sistemas binarios, reduciendo significativamente el tiempo requerido para que los componentes se fusionen entre sí. Además, la ionización del átomo gravitatorio aumenta a distancias muy específicas entre los agujeros negros binarios, lo que da lugar a características nítidas en las ondas gravitatorias que detectamos en tales fusiones. Los futuros interferómetros de ondas gravitacionales, máquinas similares a los detectores LIGO y Virgo que en los últimos años nos han mostrado las primeras ondas gravitacionales de los agujeros negros, podrían observar estos efectos. Encontrar las características predichas de los átomos gravitacionales proporcionaría evidencia distintiva de la existencia de nuevas partículas ultraligeras. + Explora más

Descubriendo nuevas partículas usando agujeros negros