Un extraño rastro en el espacio-tiempo podría ser la primera huella de materia oscura

La materia oscura es considerada la mayor parte de la materia en el universo, pero hasta ahora no ha sido posible observarla directamente. A diferencia de la materia ordinaria, la materia oscura no interactúa con la luz ni con fuerzas electromagnéticas, por lo que la gravedad es la única forma conocida para detectar su presencia. Recientemente, un grupo de investigadores propuso que la colisión de agujeros negros podría ofrecer una nueva vía para buscar pistas sobre esta sustancia invisible.

Un equipo de físicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y varias instituciones europeas desarrolló un método para identificar posibles signos de materia oscura escondidos dentro de las ondas gravitacionales. Estas ondas son generadas cuando objetos masivos como los agujeros negros giran y se fusionan. Si estos agujeros negros atravesaran densas nubes de materia oscura antes de chocar, las ondas gravitacionales resultantes podrían llevar sutiles trazas de esa interacción.

Los investigadores probaron su enfoque utilizando datos disponibles públicamente recopilados por LIGO-Virgo-KAGRA (LVK), la red internacional de observatorios de ondas gravitacionales que monitorea fusiones de agujeros negros y otros eventos cósmicos distantes.

Buscando pistas de materia oscura en ondas gravitacionales

El equipo analizó señales recolectadas durante las primeras tres campañas de observación de LVK. Se enfocaron en 28 de los eventos de ondas gravitacionales más claros detectados hasta el momento. De esos, 27 coincidieron con lo que los científicos esperarían de agujeros negros fusionándose en el vacío. Sin embargo, una señal, conocida como GW190728, se destacó por su aparente diferencia. Según el análisis del equipo, el patrón de esa onda gravitacional podría contener evidencia de una interacción con materia oscura.

Los investigadores enfatizaron que esto no equivale a un descubrimiento confirmado de materia oscura. Más bien, la nueva técnica proporciona un método para escanear los datos de ondas gravitacionales en busca de señales prometedoras que podrían ser investigadas más a fondo.

"Sabemos que la materia oscura está a nuestro alrededor. Solo tiene que ser lo suficientemente densa para que podamos ver sus efectos", declaró Josu Aurrekoetxea, un investigador postdoctoral en el Departamento de Física del MIT. "Los agujeros negros ofrecen un mecanismo para aumentar esta densidad, que ahora podemos buscar analizando las ondas gravitacionales emitidas cuando se fusionan."

Los hallazgos fueron publicados en Physical Review Letters. Aurrekoetxea coautorizó el estudio junto a Soumen Roy de la Universidad Católica de Louvain en Bélgica, Rodrigo Vicente de la Universidad de Ámsterdam, Katy Clough de la Universidad Queen Mary de Londres y Pedro Ferreira de la Universidad de Oxford.

Cómo los agujeros negros podrían amplificar la materia oscura

La materia oscura sigue siendo uno de los mayores misterios en física. Los científicos infieren su existencia porque la gravedad alrededor de las galaxias parece ser más fuerte de lo que la materia visible puede explicar. Las observaciones de lente gravitacional, donde la luz se curva alrededor de las galaxias, sugieren que una fuente adicional de masa no vista está influyendo en el espacio.

Las estimaciones actuales sugieren que la materia oscura podría representar más del 85 por ciento de la materia en el universo. Sin embargo, los investigadores aún no saben de qué está compuesta realmente.

Una forma propuesta involucra partículas extremadamente ligeras llamadas "partículas escalares ligeras". Las teorías sugieren que estas partículas pueden comportarse como ondas coordinadas cerca de los agujeros negros.

Los científicos creen que cuando estas ondas encuentran un agujero negro que gira rápidamente, la energía rotacional del agujero negro puede transferirse a las ondas de materia oscura, aumentando dramáticamente su densidad. Este proceso, conocido como superradiancia, ha sido comparado con batir crema en mantequilla.

Si la densidad se vuelve lo suficientemente alta, la materia oscura podría alterar las ondas gravitacionales producidas cuando los agujeros negros colisionan.

Prediciendo huellas de materia oscura en el espacio-tiempo

Para investigar esta posibilidad, los investigadores construyeron simulaciones detalladas de fusiones de agujeros negros bajo diversas condiciones. Variaron factores como las masas y tamaños de los agujeros negros, la cantidad de materia oscura circundante y la densidad de esa materia.

Con esas simulaciones, el equipo predijo cómo aparecerían las ondas gravitacionales si los agujeros negros se fusionaran dentro de un entorno denso de materia oscura en lugar de en un vacío. El modelo también tuvo en cuenta cómo esas ondas cambiarían a medida que viajaban millones de años luz antes de llegar a los detectores en la Tierra.

Los investigadores luego compararon sus predicciones con las observaciones reales de LVK. De las 28 señales más fuertes examinadas, GW190728 fue el único evento que mostró concordancia con el escenario de materia oscura.

GW190728 fue detectada por primera vez el 28 de julio de 2019. Estudios anteriores determinaron que la señal provenía de dos agujeros negros con una masa combinada de aproximadamente 20 veces la del sol. Según el nuevo análisis, esos agujeros negros podrían haberse fusionado dentro de una densa nube de materia oscura.

Una nueva herramienta prometedora para la investigación de materia oscura

"La significancia estadística de esto no es lo suficientemente alta como para reclamar una detección de materia oscura, y se deben realizar más verificaciones por parte de grupos independientes", afirmó Aurrekoetxea. "Lo que creemos que es importante resaltar es que sin modelos de forma de onda como el nuestro, podríamos estar detectando fusiones de agujeros negros en entornos de materia oscura, pero clasificándolas sistemáticamente como ocurridas en el vacío."

Los investigadores mencionaron que el creciente número de observaciones de ondas gravitacionales podría hacer que este enfoque sea cada vez más útil en los próximos años.

"Ahora tenemos el potencial de descubrir materia oscura alrededor de los agujeros negros a medida que los detectores de LVK siguen recopilando datos en los próximos años", declaró Soumen Roy, quien lideró la parte del análisis de datos del trabajo. "Es un momento emocionante para buscar nueva física utilizando ondas gravitacionales."

"Usar agujeros negros para buscar materia oscura sería fantástico", agregó Rodrigo Vicente, quien desarrolló el modelo analítico de la señal. "Podríamos sondear la materia oscura a escalas mucho más pequeñas que nunca antes."

La investigación fue apoyada en parte por la Fundación Nacional de Ciencia de EE. UU. y el Centro de Física Teórica del MIT, un Instituto Leinweber.