Fusión de estrellas de bosones probaría que existe la materia oscura.

Desde Madrid se despliega información concerniente a las expectativas causadas ante una posible fusión de "estrellas de bosones", mismas que son conocidas por algunos astrónomos y astrofísicos como "estrellas transparentes". Una señal de ondas gravitacionales generada hace más de siete mil millones de años —la mayor que se ha captado hasta la fecha— se ha convertido en uno de los fenómenos más controvertidos y apasionantes de la física actual, pues con las Leyes del Universo vigentes, no debería existir, esto es, no podría haber ocurrido, y sin embargo así fue captada.

Esta fusión podría explicar la colisión de agujeros negros más masiva jamás observada, que produjo la "Onda Gravitacional GW190521", y que además estaría en posibilidad de probar la existencia de la "Materia Oscura".

La "materia oscura" es un tipo de materia que no emite suficiente radiación electromagnética como para ser detectada por los medios usuales, es decir, su existencia está en duda pero se deduce su existencia por los efectos gravitacionales que tiene en la materia visible, como pueden ser las galaxias o las estrellas que observamos.

Esta es la conclusión del trabajo de un equipo internacional de científicos, liderado por el Instituto Gallego de Física de Altas Energías (IGFAE) y la Universidad de Aveiro.

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 Albert Einstein (1879 - 1955) en en su "Teoría General de la Relatividad" (1915). Estas ondas se originan en los eventos más violentos del universo, llevando consigo la información sobre dicho origen.

Ilustración de Fusión de estrellas de bosones "transparentes" tomada de La Jornada y a su vez del twitter de de @IGFAE_HEP

Desde 2015, el ser humano puede observar e interpretar ondas gravitacionales gracias a los detectores Advanced "Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory" (LIGO) (Livingston y Hanford, Estados Unidos) y al detector Virgo (Cascina, Italia). Hasta ahora, éstos han observado alrededor de 50 de ellas, originadas durante las fusiones de dos de los entes más misteriosos del universo –agujeros negros y estrellas de neutrones–, lo que nos han permitido saber más acerca de estas olas.

Pese a todos los descubrimientos acumulados en sólo seis años, el potencial real de las ondas gravitacionales va mucho más allá. En el futuro, podrían permitirnos observar nuevos tipos de objetos celestes y dar pistas sobre problemas fundamentales de la ciencia como, por ejemplo, la naturaleza de la materia oscura. Esto último, sin embargo, podría haber ocurrido ya.

Cuando, en mayo de 2019, se captó esa "onda gravitacional" que no debería existir, el equipo del astrofísico y astrónomo de la Universidad de Valencia y parte del equipo de LIGO, José Antonio Font llevaba ya años trabajando en un modelo matemático capaz de predecir el comportamiento de las estrellas de bosones. Los físicos las denominan “objetos imitadores de agujeros negros” por las propiedades que comparten con esos cuerpos.

“La mayor diferencia entre ambos es que una "estrella de bosones ultraligera" no tiene un horizonte de sucesos [el punto de no retorno], por lo que no nos tragaría sin posibilidad de salir jamás. Habría una vía de escape”, explica Juan Calderón Bustillo, investigador del Instituto Gallego de Física de Altas Energías (IGFAE) y miembro de la colaboración LIGO.

En septiembre de 2020, las colaboraciones científicas LIGO y Virgo, 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 otro, uno resultante de 142 masas solares. Este último, se ha catalogado,  como el primero de una nueva familia de agujeros negros: los de masa intermedia.

Tal descubrimiento reviste gran importancia, pues dichos agujeros negros eran considerados una especie de eslabón perdido entre dos familias ya conocidas:

los de masa estelar que se forman por el colapso de una estrella y 

los supermasivos que se esconden en los centros de las galaxias,

incluyendo el que se aloja en nuestra "Vía Láctea".

Hoy, parte de los científicos de LIGO y Virgo publican que esa señal no la produjeron dos agujeros negros, sino dos "estrellas transparentes", que están hechas de partículas nunca observadas que son billones de veces más ligeras que un electrón. Se llaman bosones ultraligeros y en teoría pueden ser la explicación a uno de los mayores enigmas del Universo: ¿Qué es la materia oscura?, ese misterioso componente que constituye el 27 por ciento del universo mientras la materia conocida compone sólo el 5 por ciento

Representación de la fusion de agujeros negros, LIGO.

En el artículo publicado en "Physical Review Letters," el equipo de científicos liderado por Juan Calderón Bustillo, en el IGFAE, centro mixto de la Universidad de Santiago de Compostela y la Universidad de Xunta de Galicia, y Nicolás Sanchis-Gual, investigador posdoctoral en la Universidad de Aveiro y en el Instituto Superior Técnico, de la Universidad de Lisboa, propusieron un nuevo origen para la señal GW190521: esto es, la fusión de dos objetos exóticos conocidos como "estrellas de bosones".

Esos cuerpos son "objetos hipotéticos" que constituyen uno de los principales candidatos para formar lo que conocemos como "materia oscura". Asumiendo ese tipo de colisión, el equipo fue capaz de estimar la masa del constituyente fundamental de esas estrellas, una nueva partícula conocida como "bosón ultraligero", billones de veces más ligera que un electrón.

Fueron teorizadas a finales de los años cincuenta del sigo Veinte y descritas en mayor detalle en la siguiente década. Se trataría de astros hechos de partículas que no emiten luz, pero en lugar de ser un gran punto oscuro en el firmamento serían transparentes a nuestros ojos. Hasta ahora no se ha podido comprobar su existencia debido a que falta la tecnología necesaria y modelos que expliquen bien su comportamiento.

El doctor Calderón Bustillo, fue el responsable del análisis matemático del estudio sobre la señal de las "ondas gravitacionales", y su colega el doctor Sanchís-Gual ha hecho las simulaciones matemáticas de estos objetos. El equipo ha comparado qué modelo explica mejor la señal captada, si los agujeros negros o el suyo. Los resultados muestran que el segundo es unas ocho veces más probable, explica Calderón.

Es un primer resultado apasionante, pero aún muy preliminar. En términos estadísticos la probabilidad de que lo que dicen estos científicos sea cierto es de unos dos sigmas. Pero para clamar un descubrimiento en Física se necesitan cinco sigmas: una sola posibilidad entre casi dos millones de que lo que se afirma sea falso.

La prueba más interesante que aportan estos científicos es que han calculado la masa del bosón ultraligero que formaría estas estrellas. Su resultado encaja con las predicciones teóricas de estas partículas.

En detalle se tiene que los bosones son uno de los dos tipos básicos de partículas elementales de las que está hecha la naturaleza. 

Hay cuatro bosones que transmiten fuerza, uno de ellos bien conocido transmite fuerza electromagnética: "el fotón", la partícula de la luz.

Existe otro célebre bosón con otra función: aportar masa al resto de partículas elementales, el "bosón de Higgs".

El resto de la materia está hecha de otra partícula elemental —fermiones—, como el electrón. 

Aquí se acaba la descripción de los ladrillos básicos de la materia que compone todo cuanto vemos y tocamos los humanos. Es un modelo que solo describe el cinco por ciento del Universo.

El resto son cosas completamente desconocidas: "la materia oscura", que compondría el 27% del Cosmos, y "la energía oscura", que explicaría el 68% restante. (27 + 68 = 95)

Los bosones ultraligeros habitarían en ese territorio desconocido. Estas partículas interactuarían con la materia convencional solo por su fuerza gravitatoria. 

Profundiza en su explicación el astrónomo Calderón: “Si existen, podrían acumularse y formar estrellas hechas de "materia oscura". Esto explicaría los efectos de esta en el Universo, que son muy patentes, pues sin su empuje gravitatorio, galaxias como la Vía Láctea se desmoronarían y posiblemente no podrían albergar planetas con vida inteligente. Demostrar que los bosones ultraligeros son los responsables de estos efectos sería un hallazgo histórico, pues abriría una nueva dimensión de la física y de nuestra comprensión del Cosmos".

Por ahora, los autores del trabajo, son muy cautos, explica el doctor Font: “Esto es solo una prueba de concepto, un indicio de que las ondas gravitacionales se pueden usar de forma heterodoxa para descubrir una física nueva. Nuestro estudio dice que puede existir un "bosón ultraligero" que podría ser la materia oscura. Nos basamos por ahora en un solo caso, pero las probabilidades de que estemos en lo cierto son ligeramente superiores a que se trate de agujeros negros”.

Cuando dos estrellas de bosones chocan, se unen para formar otra mayor, pero casi instantáneamente colapsan para engendrar un agujero negro. Demostrar esto es importante porque supondría una nueva forma de crear agujeros negros que no necesita estrellas convencionales. Pero probarlo es endiabladamente difícil. “Una vez creado, un agujero negro no está hecho de nada, es solo una zona de universo en la que si entras nunca podrás salir”, explica Calderón.

La única forma de probar la "Teoría de las estrellas de bosones" está en la primera parte de la onda gravitacional, que dura menos que la centésima parte de un segundo. “Pronto vamos a tener más señales de este tipo, podremos aplicarle nuestro modelo y saber si lo que decimos tiene más sentido”, asegura Font.

El ganador del premio Nobel de Física del año 2017, Rainer Weiss (29 septiembre de 1932), ha expresado su opinión: “Si realmente estamos ante una "estrella compuesta de axiones" [que son las partículas de materia oscura] veremos más señales de este tipo. Esta historia evolucionará en el tiempo”. Recordemos que el doctor Weiss ha trabajado intensamente y con aportaciones notables en la caracterización de la "Radiación Cósmica de Fondo", y la observación de "Ondas Gravitacionales". Ha realizado medidas pioneras del espectro de la radiación cósmica de microondas, y fue co-fundador, además de asesor científico, del satélite Cosmic Background Explorer (COBE) e inventó el detector de ondas gravitacionales interferométricas, y co-fundó el proyecto NSF-LIGO. En febrero del año 2016 fue uno de los cuatro científicos que presentaron en conferencia de prensa el anuncio de la primera observación directa, sucedido en septiembre de 2015, de "Ondas Gravitacionales".

Y ahora dejo la explicación, muy convincente por cierto, a los expertos de la NASA, expuesta en su página NASA SCIENCE, SPACE PLACE: Esto te puede resultar sorprendente, pero no sabemos de qué está compuesta la mayor parte de este, nuestro Universo. En serio, no lo sabemos. Seguramente estás pensando: “¡Pero, por supuesto que sabemos! ¡Está compuesto de galaxias, estrellas, planetas, agujeros negros, cometas, asteroides y todas esas cosas interesantes del espacio!”

Ilustración tomada de la página NASA Science, Space Place.

 

Y sí, existen muchas cosas interesantes en el espacio, pero si sumamos todo, se obtiene una porción muy pequeña de todo el universo. Hay mucho más por conocer. Y no podemos comprender con exactitud de qué se trata.

Cuando los científicos estudian nuestro universo, observan que se está expandiendo. Pero si el universo solo estuviera compuesto de galaxias, estrellas, planetas y demás cosas que ya conocemos, no debería estar expandiéndose. Hay algo más allá afuera. Tiene que haber una energía que está haciendo que el universo se expanda. Es solo que no sabemos qué es esa energía. Tampoco sabemos de dónde proviene. Pero sí sabemos que está allí. Los científicos denominan a esta energía "energía oscura".

No sabemos mucho sobre la energía oscura, pero sí sabemos que hay muchísima. El 68% del Universo, es decir, casi dos tercios, está compuesto de "energía oscura".

También hay cosas en el espacio exterior que tienen fuerza de gravedad. Podemos ver su atracción sobre la materia, como las estrellas y las galaxias. Pero no materia común. No es un agujero negro. No es nada de lo cual hayamos escuchado jamás. Pero sin duda está allí. Los científicos le han llamado "materia oscura". Y al igual que sobre la "energía oscura", hay mucho que ignoramos de este tipo de materia, pero al parecer, se estima, que el 27% del Universo, es decir un poco más de la cuarta parte de su composición es "materia oscura".

En conjunto, la energía oscura y la materia oscura componen el 95% del Universo. Eso es casi todo el Universo. Eso quiere decir que lo que nosotros conocemos y comprendemos, -bueno más o menos, no exageremos -, es tan solo un 5%. La energía como la luz, el calor y los rayos X, junto con la materia, las personas, los elefantes, el planeta Tierra, el sol y todas las galaxias son solo un 5% del Universo. Y eso no es mucho.

La materia oscura y la energía oscura plantean algunos de los interrogantes más importantes en el estudio del espacio y la física. Muchos de los científicos están utilizando observaciones y cálculos para averiguar qué son. Esto nos ayudará a comprender más acerca de nuestro increíble universo, donde siempre hay más por descubrir y mucho más por aprender.

En este sentido los nuevos descubrimientos como el referido en primera instancia enriquece, el saber sobre la posible composición y quizás, el origen de las "oscuras", termino que hace  justicia al desconocimiento que sobre ellas existe actualmente.

La carrera contra el desconocimiento por parte de la humanidad avanza, pero aún no es suficiente, con calma y llegaremos más rápido.