Una señal extraña de LIGO podría revelar el misterio de la materia oscura

Los agujeros negros primordiales han sido durante décadas una de las ideas más intrigantes de la astronomía. Recientemente, investigadores de la Universidad de Miami creen que la detección de una señal de ondas gravitacionales podría acercar a los científicos a confirmar que estos antiguos objetos son reales, lo que también podría ayudar a resolver el enigma de la materia oscura.

Se piensa que los agujeros negros primordiales se formaron durante la primera fracción de segundo después del Big Bang, mucho antes de que existieran las primeras estrellas o galaxias. A diferencia de los agujeros negros que se crean tras la explosión de estrellas, estos objetos hipotéticos podrían variar en tamaño desde algo tan pequeño como un asteroide hasta cuerpos mucho más grandes.

A pesar de que no se ha confirmado la existencia de agujeros negros primordiales, los científicos creen que podrían responder a varias preguntas fundamentales sobre el universo. Una de las más importantes es la naturaleza de la materia oscura, una sustancia invisible que constituye aproximadamente el 85 por ciento de toda la materia y que proporciona la atracción gravitacional que mantiene unidas a las galaxias.

"Creemos que nuestro estudio ayudará a confirmar que realmente existen", afirmó Nico Cappelluti, profesor asociado en el Departamento de Física de la Universidad de Miami, refiriéndose a la investigación que realizó junto al estudiante de doctorado Alberto Magaraggia.

Una señal inusual de LIGO

Su trabajo se basa en un posible descubrimiento reportado por el Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser (LIGO), que a finales del año pasado detectó una señal de ondas gravitacionales inusual. Las ondas gravitacionales son ondulaciones en el espacio-tiempo producidas por algunos de los eventos más violentos del universo, incluyendo colisiones entre agujeros negros.

La mayoría de los agujeros negros conocidos se forman tras la explosión de estrellas masivas como supernovas. Sus masas suelen variar desde varias veces la masa del Sol hasta miles de millones de masas solares.

"Los agujeros negros más comunes se forman como resultado de una supernova, la muerte de una estrella masiva. Así que sus masas pueden variar desde unas pocas veces la masa del Sol hasta miles de millones de masas solares", explicó Cappelluti.

Sin embargo, en noviembre, LIGO emitió una alerta automática sobre una fusión en la que al menos un objeto parecía tener menos de una masa solar. Un agujero negro tan pequeño sería difícil de explicar a través de la evolución estelar convencional y podría indicar en su lugar la existencia de un agujero negro primordial.

No todos están convencidos. Algunos astrofísicos han sugerido que la señal podría ser simplemente ruido dentro de los detectores extremadamente sensibles de LIGO en lugar de evidencia de un nuevo descubrimiento notable.

¿Podría esto explicar la materia oscura?

Cappelluti y Magaraggia argumentan que el objeto detectado se explica mejor como un agujero negro primordial que se formó en las densas condiciones del universo temprano, mucho antes de que existieran las estrellas.

Para probar esa idea, los investigadores estimaron cuántos agujeros negros primordiales podrían existir en todo el cosmos y con qué frecuencia LIGO debería detectarlos.

"Intentamos estimar cuántos agujeros negros primordiales pueden existir en el universo y cuántos de ellos LIGO debería ser capaz de detectar", dijo Magaraggia. "Y nuestros resultados son alentadores. Predecimos que los agujeros negros sub-solares como el que LIGO podría haber observado deberían ser raros, consistente con la infrecuencia con la que se han visto tales eventos hasta ahora".

Sus hallazgos, publicados en The Astrophysical Journal, sugieren que la misteriosa señal de LIGO no tiene una explicación astrofísica convencional y es más consistente con un agujero negro primordial.

El estudio "sugiere que la explicación más plausible para la señal de LIGO, que carece de cualquier explicación astrofísica convencional, es la detección de un agujero negro primordial", afirmó Cappelluti. "Y nuestra investigación indica que estos agujeros negros primordiales podrían representar una parte significativa, si no toda, de la materia oscura".

Aun así, ambos investigadores enfatizan que una sola detección no es suficiente para resolver la cuestión.

Por ahora, los científicos deben esperar para ver si LIGO y sus socios internacionales registran eventos adicionales que coincidan con el mismo patrón.

"LIGO captó lo que es una evidencia muy fuerte de que estos tipos de agujeros negros existen. Pero necesitaremos detectar otra señal similar o incluso varias para obtener la confirmación definitiva de que son reales", dijo Cappelluti. "Pero lo que es claro es que no pueden ser excluidos como reales".

Una teoría que data de décadas

El concepto de agujeros negros primordiales se remonta a la era de la Guerra Fría, cuando los científicos soviéticos Yakov Zeldovich e Igor Novikov propusieron por primera vez su existencia. A principios de la década de 1970, Stephen Hawking amplió la idea, argumentando que estos objetos podrían ser abundantes en todo el universo, emitir radiación y posiblemente explicar la materia oscura.

Más tarde, LIGO proporcionó la primera oportunidad para buscar evidencia que apoyara esas teorías. El 14 de septiembre de 2015, el observatorio hizo historia al detectar ondas gravitacionales por primera vez, confirmando una gran predicción de la teoría general de la relatividad de Albert Einstein y abriendo una nueva forma de estudiar el universo.

El futuro de la astronomía de ondas gravitacionales

LIGO consta de dos observatorios ubicados en Hanford, Washington, y Livingston, Louisiana. Junto con el detector Virgo en Italia y el observatorio subterráneo KAGRA en Japón, forman la colaboración internacional LVK, que busca agujeros negros y regiones del espacio donde la gravedad es tan fuerte que ni siquiera la luz puede escapar.

Las actualizaciones planificadas harán que LIGO sea aún más sensible, aumentando sus posibilidades de encontrar más agujeros negros primordiales candidatos. Sin embargo, los dos detectores en forma de L del observatorio, cada uno con brazos de vacío de 2,5 millas de largo, fueron diseñados para detectar las ondas gravitacionales de alta frecuencia producidas por colisiones cósmicas relativamente recientes, no las ondas generadas directamente durante el Big Bang.

Los futuros observatorios extenderán ese alcance mucho más atrás en el tiempo. La Agencia Espacial Europea planea lanzar el Laser Interferometer Space Antenna (LISA) en 2035, que se espera que detecte ondas gravitacionales de las primeras épocas del universo después del Big Bang.

Otra instalación planificada, Cosmic Explorer, se encuentra actualmente en fase de diseño en los Estados Unidos. Se espera que sea unas diez veces más sensible que LIGO, permitiendo detectar fusiones de agujeros negros y estrellas de neutrones que se remontan a la era en que se formaron las primeras estrellas.

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