Pruebas nuevas desvelan firmas que delatan la existencia de materia oscura y una gravedad modificada
El descubrimiento de perturbaciones en el espacio-tiempo producidas por una colisión entre dos agujeros negros coincide con las afirmaciones de Einstein, pero no solo eso: ofrece a los astrónomos una herramienta para poner a prueba una nueva física. Las ondas gravitacionales podrían esclarecer misterios como la energía oscura y la materia oscura, que no se incluyen en el Modelo Estándar. Además, podrían ayudar a los astrónomos a describir la gravedad según los principios de la mecánica cuántica.
Ajustes a la teoría de la gravedad de Einstein
Una de las ideas que investigó el proyecto StronGrHEP es la ampliación de la teoría general de la relatividad de Einstein con una nueva teoría sobre la denominada gravedad escalar-tensor. Esta sugiere que el universo está hecho de un campo adicional que todavía no hemos detectado. Esta investigación se llevó a cabo gracias al respaldo del programa Acciones Marie Skłodowska-Curie. Implica que la explosión supernova de una estrella moribunda no solo sería visible como una ráfaga de ondas gravitacionales, sino que produciría una posluminiscencia de ondas gravitacionales que podríamos llegar a detectar. «Se podría orientar el Observatorio por Interferometría Láser de Ondas Gravitacionales (LIGO) a regiones del cielo en que hayan explotado estrellas, por ejemplo hacia la supernova de Kepler, para intentar detectar tal posluminiscencia a partir del campo escalar que podría perdurar siglos tras la explosión propiamente dicha», señala el coordinador del proyecto, Ulrich Sperhake.
Los agujeros negros como transmisores de las teorías de la gravedad modificadas
«Cuando dos agujeros negros colisionan, se fusionan en un único agujero negro que suena de un modo muy parecido a una campana golpeada por un martillo y transmite ondas gravitacionales. Estas ondas llevan incorporadas frecuencias específicas (tonos) similares a notas individuales de un acorde musical. El espectro de frecuencias de estos tonos actúa como una huella para identificar un agujero negro y la teoría de la gravedad que rige sus oscilaciones», explica Sperhake. Los astrónomos pueden detectar las señales si permanecen por encima del umbral de sensibilidad del LIGO/VIRGO. El equipo del proyecto computó uno de esos tonos del horizonte de sucesos de un binario de agujero negro, aunque su fuerza sería menor que la del detectado en 2015. Esta huella permitirá buscar o descartar pruebas de ecos de ondas gravitacionales procedentes de imitadores de agujeros negros, objetos compactos exóticos como agujeros espacio-temporales que no tienen un horizonte de sucesos. Estos datos constituyen la base para realizar pruebas detalladas de la teoría de la gravedad y, posiblemente, encontrar pruebas de su desajuste parcial. La primera imagen de la historia de un agujero negro, obtenida por el Telescopio del Horizonte de Sucesos en 2019, también podría apuntar a una gravedad modificada. La imagen coincidía con las predicciones teóricas: los agujeros negros son sombras oscuras rodeadas por una corona de luz emitida por diferentes zonas del disco de acreción. La gravedad extrema del agujero negro distorsiona la luz y hace que el disco parezca un casco. El equipo estudió estas sombras de agujeros negros en profundidad bajo el prisma de una gravedad modificada. Las imágenes resultantes desvelaron una estructura sorprendentemente compleja que recuerda a imágenes fractales.
Candidatos prominentes a materia oscura
«Las sombras de agujero negro también podrían verse afectadas por la presencia de materia oscura», añade Sperhake. El equipo realizó una modelización del aspecto que podrían tener las sombras si estuvieran presentes las partículas axiónicas subatómicas teóricas. Otra categoría de candidatos interesantes a materia oscura son los campos bosónicos muy ligeros. Si existen, se condensarían en torno a los agujeros negros giratorios y formarían nubes. «Al igual que los océanos sobre la Tierra, esas nubes están afectadas por mareas de otros cuerpos masivos. Demostramos que, cuando las mareas son suficientemente grandes, las nubes se desprenden de su agujero negro hospedador en un suceso de alteraciones mareales violentas», concluye Sperhake.
Palabras clave
StronGrHEP, agujero negro, ondas gravitacionales, materia oscura, gravedad modificada, Modelo Estándar, gravedad escalar-tensor
