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 Einstein en 1916 dentro de su Teoría General de la Relatividad. Estas ondas se originan en los eventos más violentos del Universo, llevando consigo la información sobre dicho origen. 

Desde 2015, el ser humano puede observar e interpretar ondas gravitacionales gracias a los dos detectores Advanced LIGO (E.E.U.U.) y al detector Virgo (Italia). Pese a todos los descubrimientos acumulados en sólo 6 años, el potencial real de las ondas gravitacionales va mucho más allá. En el futuro, podrían permitir la observación de nuevos tipos de objetos celestes y dar pistas sobre problemas fundamentales de la ciencia como, por ejemplo, la naturaleza de la materia oscura, cosa que podría haber ocurrido ya.

En septiembre de 2020, las colaboraciones científicas LIGO y Virgo (LVC) anunciaron la observación de la onda gravitacional GW190521, compatible con la fusión de dos agujeros negros de que dio lugar a un agujero negro final de 142 masas solares. Éste último es el primero de una nueva familia de agujeros negros: los agujeros negros de masa intermedia. Tal descubrimiento reviste una gran importancia, ya que dichos agujeros negros eran considerados una especie de eslabón perdido entre dos familias ya conocidas: los agujeros negros de masa estelar que se forman por el colapso gravitacional de una estrella y los agujeros negros supermasivos que se esconden en los centros de las galaxias, incluyendo la Vía Láctea.

Pese a su importancia, GW190521 supone también un enorme reto. Si nuestra comprensión teórica de cómo viven y mueren las estrellas es correcta, el mayor de los dos agujeros negros fusionados (85 masas solares), no puede ser el resultado del colapso de una estrella, lo que abre un abanico de dudas y posibilidades sobre su origen.

En un artículo publicado hoy en Physical Review Letters, un equipo de científicos en el que participa la Universitat de València ha propuesto un nuevo origen para la señal GW190521: la fusión de dos objetos compactos exóticos conocidos como estrellas de bosones. Estas estrellas son objetos hipotéticos que constituyen uno de los principales candidatos para formar lo que conocemos como materia oscura, que representa aproximadamente el 27% de todo el contenido del universo, pero de la cual no se conoce todavía su composición. Asumiendo este tipo de colisión, el equipo fue capaz de calcular la masa del constituyente fundamental de estas estrellas, una nueva partícula conocida como bosón ultraligero, billones de veces más ligera que un electrón.

Este equipo está liderado por Juan Calderón Bustillo, del Instituto Gallego de Física de Altas Energías (IGFAE), centro mixto de la Universidad de Santiago de Compostela y la Xunta de Galicia, y Nicolás Sanchis-Gual, investigador postdoctoral en la Universidad de Aveiro y en el Instituto Superior Técnico (Universidad de Lisboa), junto con personal colaborador de la Universitat de València, Monash University (Australia) y la Chinese University of Hong Kong.

El equipo comparó la señal GW190521 con simulaciones por ordenador de fusiones de estrellas de bosones y encontraron que éstas explican los datos ligeramente mejor que el análisis realizado por LIGO y Virgo. El resultado implica que la fuente de dicha señal tendría propiedades distintas a las predichas originalmente. “Antes que nada, ya no estaríamos hablando de agujeros negros, lo que elimina el problema de encontrarse con un agujero negro prohibido”, apunta Calderón Bustillo. “Segundo, dado que las fusiones de estrellas de bosones son mucho más débiles, concluímos que esta fusión se produjo a una distancia mucho más cercana que la estimada por LIGO y Virgo, lo que nos da una masa mucho mayor, de unas 250 masas solares, para el agujero negro que se forma al final. Por lo tanto, el hecho de haber observado un agujero negro de masa intermedia continúa siendo cierto, si bien éste es ahora mucho más pesado.”

“Las estrellas de bosones son casi tan compactas como los agujeros negros, pero a diferencia de éstos, carecen de su famosa superficie de “no-retorno” u “horizonte de sucesos”, explica Sanchis-Gual. “Cuando se fusionan, forman una estrella hiper-masiva que se vuelve inestable y colapsa a un agujero negro. Este proceso genera una señal idéntica a la que LIGO y Virgo observaron. Al contrario que las estrellas normales, que están hechas de lo que solemos llamar materia, las estrellas de bosones se compondrían de bosones ultraligeros, que están entre los candidatos teóricos más plausibles para componer lo que conocemos como materia oscura”. 

Al igual que la fusión de agujeros negros, la fusión de estrellas de bosones no genera ondas electromagnéticas, es decir no emite luz, y por tanto sólo pueden estudiarse a partir de su emisión en ondas gravitatorias. “Este estudio demuestra que la astronomía de ondas gravitatorias abre la puerta a detectar objetos astrofísicos nuevos que no se podrían observar mediante la astronomía clásica basada en ondas electromagnéticas”, apunta Alejandro Torres-Forné, también profesor de la Universitat de València. 

Para su sorpresa, el equipo encontró que pese a que sus análisis están diseñados para “preferir” una colisión de agujeros negros, éstos indican que la fusión de estrellas de bosones es más probable, si bien de modo no conclusivo. “Nuestro análisis estadístico muestra que ambos escenarios tienen probabilidades similares, si bien el de las estrellas de bosones es ligeramente más favorable”, indica José A. Font, profesor de la Universitat de València. “Esto es muy prometedor, ya que nuestros modelos actuales para estas fusiones son todavía muy limitados y tienen muchísimo margen de mejora. El uso de modelos más completos podría proporcionar una mayor evidencia a favor de las estrellas de bosones y también nos permitiría estudiar otras señales de ondas gravitacionales bajo dicha hipótesis”. 

Este resultado no sólo podría significar la primera observación de estrellas de bosones, sino también la de sus componentes fundamentales, un nuevo tipo de partícula conocido como bosón ultraligero. Dichos bosones han sido propuestos por muchos equipos científicos como los componentes fundamentales de la materia oscura, que forma el 27% del Universo. Carlos Herdeiro, de la Universidad de Aveiro añade que “uno de los resultados más fascinantes es que podemos medir la masa de una hipotética partícula “oscura” y que descartamos con toda probabilidad que esta masa sea nula, como en el caso del fotón que compone la luz. Si este resultado es confirmado por futuros análisis de otras ondas gravitacionales, nuestro resultado supondría la primera evidencia observacional del, buscado por décadas, componente fundamental de la materia oscura”.

Referencias:
- Juan Calderón Bustillo, Nicolas Sanchis-Gual, Alejandro Torres-Forné, José A. Font, Avi Vajpeyi et al. “GW190521 as a merger of Proca stars: a potential new vector boson of 8.7 × 10−13 eV”. Phys. Rev. Lett 126, 081101

       https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.081101 
- Arxiv: https://arxiv.org/abs/2009.05376