Las futuras observaciones de agujeros negros realizadas por LISA podrían revelar la existencia de partículas desconocidas mucho más ligeras que las detectadas en los aceleradores.
La idea se basa en un efecto sorprendente alrededor de los agujeros negros en rotación. Algunas partículas hipotéticas, llamadas bosones ultraligeros, podrían acumularse a su alrededor. Esta concentración extraería progresivamente una parte de su rotación. También podría producir ondas gravitacionales, es decir, diminutas deformaciones del espacio y el tiempo.
Representación artística de dos agujeros negros en proceso de fusión, una fuente de ondas gravitacionales que LISA podrá estudiar.
Crédito: ESA
Estas partículas aún no han sido detectadas. Su masa sería extremadamente baja, muy inferior a la de las partículas ordinarias. Buscarla directamente resulta, por tanto, difícil. Los agujeros negros pueden ofrecer otro método: su masa y su velocidad de rotación conservarían la huella de la energía perdida si estas partículas existen.
Aquí es donde interviene LISA, un futuro observatorio espacial desarrollado por la Agencia Espacial Europea junto con la NASA. Tres naves separadas por millones de kilómetros medirán variaciones ínfimas de distancia. El instrumento será especialmente sensible a las ondas gravitacionales producidas por la fusión de agujeros negros mucho más masivos que el Sol.
Los investigadores han estudiado dos métodos complementarios. El primero consiste en medir la rotación de los agujeros negros antes de su fusión. Ciertas combinaciones de masa y rotación serían poco frecuentes si los bosones ultraligeros les arrebataran energía de manera eficaz.
Esquema de un agujero negro en rotación rodeado por una nube de bosones ultraligeros.
Crédito: Richard Brito, Vitor Cardoso y Paolo Pani / LIGO Scientific Collaboration
El segundo método se aplica después de la fusión. El agujero negro recién formado podría rodearse de una nube de bosones y emitir después una señal gravitacional casi continua. LISA podría buscar esta señal tras haber localizado la fusión, lo que reduciría la parte del cielo que habría que examinar.
Las simulaciones indican que las mediciones de rotación podrían poner a prueba varios intervalos de masas de bosones. Para las partículas de tipo escalar, el intervalo estudiado va aproximadamente de 5 × 10-18 a 10-14 electronvoltios. Para los bosones vectoriales, va aproximadamente de 6 × 10-19 a 2 × 10-14 electronvoltios.
Estas cifras dependen en gran medida de la población real de agujeros negros masivos. Por ello, los investigadores compararon tres escenarios que describen su formación. Según el escenario elegido, la probabilidad de detectar una señal después de una fusión puede ir de un valor muy bajo a uno casi seguro para ciertas masas de bosones vectoriales.
LISA aún no está operativo, y el estudio presenta predicciones derivadas de simulaciones. Los datos futuros permitirán confrontar estos escenarios con fusiones reales. Medir simultáneamente la masa, la rotación y las señales persistentes después de la colisión ofrecerá entonces varias pruebas independientes de una misma partícula hipotética.