El 21 de mayo de 2019, desde una distancia de 7 mil millones de años luz de distancia, nuestros detectores de ondas gravitacionales fueron sacudidos por la colisión más masiva hasta la fecha. A partir del análisis de la señal, los astrónomos concluyeron que la detección fue el resultado de dos agujeros negros chocando entre sí, con un peso de 66 y 85 veces la masa del Sol, respectivamente.
Pero, ¿y si fuera otra cosa? Un nuevo estudio ofrece una interpretación diferente del evento. Es posible, según un equipo internacional de astrofísicos, que los dos objetos no fueran agujeros negros en absoluto, sino objetos teóricos misteriosos llamados estrellas de bosones, potencialmente compuestos de candidatos esquivos para la materia oscura.
El evento de ondas gravitacionales, llamado GW 190521, fue un descubrimiento espectacular. El objeto que resultó de la fusión de los dos objetos habría sido un agujero negro de aproximadamente 142 veces la masa del Sol, dentro del rango de masa intermedio que nunca antes se había detectado un agujero negro, llamado brecha de masa superior del agujero negro.
Eso fue extremadamente bueno, pero había un gran enigma: el agujero negro de 85 masas solares supuestamente involucrado en la colisión. Según nuestros modelos, los agujeros negros de más de 65 masas solares no pueden formarse a partir de una sola estrella, como los agujeros negros de masa estelar.
Esto se debe a que las estrellas precursoras que producirían un agujero negro en este rango de masas son tan masivas que sus supernovas, conocidas como supernovas de inestabilidad de pares, deberían borrar por completo el núcleo estelar, sin dejar nada que pudiera colapsar gravitacionalmente en un agujero negro.
Si bien nuestra comprensión de la formación de estrellas como ‘gemelos’ no permite claramente que los pares de agujeros negros estelares nazcan lo suficientemente cerca como para combinarse, es probable que la explicación sea la fusión de dos agujeros negros más pequeños. Pero si nos basamos solo en los datos, otro modelo encaja aún mejor.
Es posible que el agujero negro fuera el producto de una fusión anterior entre dos agujeros negros más pequeños. Es posible que el agujero negro fuera el producto de una fusión anterior entre dos agujeros negros más pequeños. Liderado por Juan Calderón Bustillo del Instituto Gallego de Física de Altas Energías en España, el equipo de investigación ha determinado que las estrellas de bosones serían una combinación perfecta para los números.
“Nuestros resultados muestran que los dos escenarios son casi indistinguibles dados los datos, aunque se prefiere ligeramente la hipótesis de la estrella de bosones exóticos”, dijo el astrofísico José Font de la Universidad de Valencia en España.
“Esto es muy emocionante, ya que nuestro modelo de estrella-bosón es, a partir de ahora, muy limitado y sujeto a mejoras importantes. Un modelo más evolucionado puede conducir a evidencia aún mayor para este escenario y también nos permitiría estudiar la gravitacionalidad anterior. observaciones de ondas bajo el supuesto de fusión bosón-estrella”.
Las estrellas bosones son, por el momento, puramente teóricas y nunca antes se habían detectado, pero son de creciente interés para los astrónomos, particularmente en la búsqueda de materia oscura.
Son, como los agujeros negros, predichos por la relatividad general y pueden crecer hasta millones de masas solares en un tamaño muy compacto.
Como hemos informado anteriormente, donde las estrellas están compuestas principalmente de partículas llamadas fermiones (protones, neutrones, electrones, la materia que forma partes más sustanciales de nuestro Universo), las estrellas de bosones estarían compuestas en su totalidad por bosones. Estas partículas, incluidos los fotones, los gluones y el famoso bosón de Higgs, no siguen las mismas reglas físicas que los fermiones.
Los fermiones están sujetos al principio de exclusión de Pauli, lo que significa que no se pueden tener dos o más partículas con los mismos estados cuánticos exactos, lo que incluye el espacio en el que se encuentran. Los bosones, sin embargo, pueden superponerse; cuando se juntan, actúan como una gran partícula u onda de materia. Sabemos esto porque se ha realizado en un laboratorio, produciendo lo que llamamos un condensado de Bose-Einstein.
En el caso de las estrellas de bosones, las partículas pueden comprimirse en un espacio que se puede describir con valores distintos o puntos en una escala. Dado el tipo correcto de bosones en los arreglos correctos, este ‘campo escalar’ podría caer en un arreglo relativamente estable.
Las estrellas de bosones en realidad podrían parecerse mucho a los agujeros negros, excepto por una característica: no tienen una superficie absorbente que detenga los fotones, o un horizonte de eventos, por lo que parecerían totalmente transparentes. Básicamente son gotas compactas de condensado de Bose-Einstein en el espacio.
Irónicamente, las innumerables partículas que componen estrellas tan masivas necesitarían ser increíblemente ligeras, con millones de veces menos masa que los electrones.
Curiosamente, este tipo de bosón ultraligero también sería un candidato para la materia oscura, la masa desconocida e invisible responsable de toda la gravedad adicional que flota alrededor del Universo y que no podemos explicar. Entonces, encontrar estrellas de bosones ayudaría al menos de alguna manera a resolver uno de los mayores misterios del cosmos.
Según los cálculos del equipo, si GW 190521 fuera una fusión entre dos estrellas de bosones, las masas y distancias involucradas serían diferentes, pero resolvería el problema de ese agujero negro de 85 masas solares.
“Primero, ya no estaríamos hablando de la colisión de agujeros negros, lo que elimina el problema de lidiar con un agujero negro ‘prohibido'”, dijo Calderón Bustillo.
En segundo lugar, debido a que las fusiones de estrellas de bosones son mucho más débiles, inferimos una distancia mucho más cercana que la estimada por LIGO y Virgo. Esto conduce a una masa mucho mayor para el agujero negro final, de unas 250 masas solares, por lo que el hecho de que han presenciado la formación de un agujero negro de masa intermedia sigue siendo cierto”.
En el escenario del equipo, cuando las dos estrellas de bosones chocaron, formaron una estrella de bosones más grande que podría haberse vuelto inestable y colapsar en un agujero negro, por lo que en realidad es imposible saber si la interpretación de la estrella de bosones es correcta, incluso si pudiéramos ver claramente a lo largo de la distancia revisada de 1.900 millones de años luz.
En cambio, el análisis nos brinda las herramientas para estudiar los eventos de ondas gravitacionales de masa intermedia en el contexto de las estrellas de bosones y los agujeros negros, con la esperanza de encontrar respuestas en el futuro.
“Si se confirma mediante el análisis posterior de esta y otras observaciones de ondas gravitacionales”, dijo el astrofísico Carlos Herdeiro de la Universidad de Aveiro en España, “nuestro resultado proporcionaría la primera evidencia observacional de un candidato de materia oscura buscado durante mucho tiempo”.
Fuente: Science Alert.
