Un agujero negro que se comporta como un núcleo atómico: lo que parece un escenario escrito por un autor de ciencia ficción demasiado entusiasta podría ser en realidad una realidad. Ya en 1980, el físico Steven Detweiler reconoció que los monstruos galácticos podían estar rodeados por una nube de partículas ligeras que se asemejaban a los electrones de una capa atómica. Aún no está claro si estos gigantescos objetos cuánticos, los llamados átomos gravitacionales, existen realmente. Se espera que las partículas de la capa sean extremadamente ligeras, más ligeras que cualquier partícula elemental conocida hasta ahora. Estos pesos ligeros podrían ser, por ejemplo, axiones, que también son candidatos para formar materia oscura. Pero tampoco queda rastro de estos.
Pero ahora las cosas podrían cambiar: un equipo dirigido por el físico Giovanni Maria Tomaselli de la Universidad de Ámsterdam ha demostrado teóricamente que los átomos gravitacionales dejan huellas claras en sistemas binarios formados por dos agujeros negros, que a su vez podrían detectarse mediante detectores precisos de ondas gravitacionales. Los resultados fueron publicados en septiembre de 2024 en la revista especializada “Physical Review Letters”.
“Los agujeros negros son los objetos macroscópicos más perfectos que existen en el universo”, dijo una vez el físico Subrahmanyan Chandrasekhar (1910-1995). Estas gigantescas aspiradoras cósmicas se crean cuando la materia está tan comprimida que dentro de una cierta distancia nada puede escapar de su gravedad, ni siquiera la luz. Detweiler estudió cómo los agujeros negros podrían afectar los campos cuánticos hace más de 40 años; tal como lo había hecho Stephen Hawking en sus famosas obras.
Detweiler se encontró con un caso especial sorprendente: si hubiera partículas elementales extremadamente ligeras de una determinada clase de partículas llamadas bosones, entonces podrían rodear el agujero negro como una nube, parecida a una capa atómica formada por electrones. “El término ‘átomo gravitacional’ no es una exageración”, escribe el físico Caio FB Macedo en la “Revista de Física”. «La evolución temporal de la nube se describe mediante la ecuación de Schrödinger y los niveles de energía son similares a los del hidrógeno».
Tomaselli y sus colegas, sin embargo, no examinaron un solo átomo gravitacional, sino uno doble. Querían descubrir cómo afectaría una nube de bosones a un sistema binario de agujeros negros. E hizo un descubrimiento extraordinario.
Átomos gravitacionales que interactúan
Los sistemas binarios de agujeros negros ordinarios que se mueven en el espacio vacío (es decir, sin la nube de hipotéticos bosones ultraligeros) se han estudiado durante mucho tiempo. Debido a su gran masa, los monstruos galácticos orbitan entre sí y emiten ondas gravitacionales. A medida que pierden energía, su órbita se vuelve más pequeña y circular. Según la teoría, cuanto más antiguo es el sistema binario, más pequeña y circular es su órbita.
El grupo de Tomaselli examinó estos pares giratorios rodeados por una nube de bosones. Las partículas que contiene tienen una masa entre 10-20 y 10-10 Electrovoltios: millones de veces más bajos que los de los neutrinos más ligeros. Estos bosones ultraligeros podrían ser materia oscura, incluidos axiones hipotéticos que podrían entrar en esta categoría. Como descubrieron los investigadores de Tomaselli, la rotación de los agujeros negros podría estimular la nube de bosones e incluso «ionizarla».
«Este resultado contrasta marcadamente con la imagen más simple de una estrella binaria en el vacío».Caio FB Macedo, físico
La energía cinética del sistema migraría entonces a la nube, lo que a su vez influiría en la trayectoria de los agujeros negros. Esto, por ejemplo, haría que el sistema doble fuera menos redondeado y más excéntrico. «Este resultado contrasta marcadamente con la imagen más simple de una estrella binaria en el vacío», escribe Macedo. “Esto ofrece una posibilidad interesante: la existencia de bosones – y quizás la decodificación de su naturaleza – podría derivarse de los parámetros orbitales de los sistemas binarios. Esto significa: tal vez los sistemas binarios de agujeros negros revelen secretos de la física de partículas previamente ocultos”. .
