Notas de prensa

Un equipo internacional liderado polo Instituto Galego de Física de Altas Enerxías tenta probar a existencia dos bosóns

Esta sería a primeira proba da existencia destes obxectos hipotéticos que constitúen un dos principais candidatos para formar a materia escura, a cal representa un 27% do Universo.

As ondas gravitacionais son ondas no tecido do espazo-tempo que viaxan á velocidade da luz e cuxa existencia foi predita por Einstein en 1916 dentro da súa teoría xeral da relatividade. Estas ondas orixínanse nos eventos máis violentos do Universo, levando consigo a información sobre a súa orixe. Dende 2015, o ser humano pode observar e interpretar ondas gravitacionais grazas aos dous detectores Advanced LIGO (Livingston e Hanford, EE.UU.) e ao detector Virgo (Cascina, Italia). Ata o de agora, estes detectores observaron ao redor de 50 ondas gravitacionais, orixinadas durante as fusións de dous dos entes máis misteriosos do universo —buracos negros e estrelas de neutróns—, e que nos permitiron saber máis acerca destes obxectos.

A natureza da materia escura

Malia os descubrimentos acumulados en só seis anos, o potencial real das ondas gravitacionais vai moito máis alá. No futuro, poderían permitirnos observar novos tipos de obxectos celestes e dar pistas sobre problemas fundamentais da ciencia como, por exemplo, a natureza da materia escura. Isto último, con todo, podería ter xa acontecido.

En setembro de 2020, as colaboracións científicas LIGO e Virgo (LVC), anunciaron a onda gravitacional GW190521. De acordo coa análise realizada, este sinal era compatible coa fusión de dous buracos negros de 85 e 66 veces a masa do Sol, o que deu lugar a un buraco negro final de 142 masas solares. Este ultimo é o primeiro dunha nova familia de buracos negros: os buracos negros de masa intermedia. Tal achado reviste unha gran importancia, xa que devanditos buracos negros eran considerados unha especie de elo perdido entre dúas familias xa coñecidas: os buracos negros de masa estelar que se forman polo colapso dunha estrela e os buracos negros supermasivos que se esconden nos centros das galaxias, incluíndo a nosa Vía Láctea.

A pesar da súa importancia, GW190521 supón tamén un enorme reto para o noso entendemento de como viven e morren as estrelas. De acordo a este, o maior dos dous buracos negros fusionados (85 masas solares), non pode ser o resultado do colapso dunha estrela, o que abre un abanico de dúbidas e posibilidades sobre a súa orixe.

Nun artigo publicado este mércores en Physical Review Letters, un equipo de científicos liderado por Juan Calderón Bustillo, ‘La Caixa Junior Leader - Marie Curie Fellow’ no IGFAE, e Nicolás Sanchis-Gual, investigador postdoutoral na Universidade de Aveiro e no Instituto Superior Técnico da Universidade de Lisboa, xunto con colaboradores da Universidade de Valencia, Monash University (Australia) e a Chinese University of Hong Kong propuxo unha nova orixe para o sinal GW190521: a fusión de dous obxectos exóticos coñecidos como estrelas de bosóns. Estas estrelas son obxectos hipotéticos que constitúen un dos principais candidatos para formar o que coñecemos como materia escura, e que representa aproximadamente o 27% de todo o contido do universo. Asumindo este tipo de colisión, o equipo foi capaz de calcular a masa do constituínte fundamental destas estrelas, unha nova partícula coñecida como bosón ultralixeiro, billóns de veces máis lixeira que un electrón.

Bosóns ultralixeiros

O equipo comparou GW190521 con simulacións por computador de fusións de estrelas de bosóns e atoparon que estas explican os datos lixeiramente mellor que a análise realizada por LIGO e Virgo. O resultado implica que a fonte do sinal tería propiedades distintas ás preditas orixinalmente. “Primeiro de nada, xa non estariamos a falar de buracos negros, o que elimina o problema de atoparse cun buraco negro prohibido”, apunta Calderón Bustillo. “Segundo, dado que as fusións de estrelas de bosóns son moito máis débiles, concluímos que esta se produciu moito máis preto que o estimado por LIGO e Virgo, o que nos dá unha masa moito maior, dunhas 250 masas solares para o buraco negro que se forma ao final. Por tanto, o feito de observar un buraco negro de masa intermedia continúa sendo certo, aínda que este é agora moito máis pesado.” “As estrelas de bosóns son case tan compactas como os buracos negros, pero a diferenza destes, carecen da súa famosa superficie de “non-retorno” ou “horizonte de sucesos”, explica Sanchis-Gual. “Cando se fusionan, forman unha estrela hiper-masiva que se volve inestable e colapsa a un buraco negro. Este proceso xera un sinal idéntico ao que LIGO e Virgo observaron. Ao contrario que as estrelas normais, que están feitas do que adoitamos chamar materia, as estrelas de bosóns compoñeríanse de bosóns ultralixeiros, que son dos candidatos teóricos máis plausibles para compoñer o que coñecemos como materia escura”.

Para a súa sorpresa, o equipo atopouse que a pesar de que as súas análises están deseñados para “preferir” unha colisión de buracos negros, estes indican que a fusión de estrelas de bosóns é máis probable, aínda que de modo non conclusivo. “A nosa análise mostra que ambos os escenarios teñen probabilidades similares, aínda que o das estrelas de bosóns é lixeiramente máis probable”, indica José A. Font, da Universidade de Valencia. “Isto é moi prometedor, xa que os nosos modelos para estas fusións son actualmente moi limitados e teñen moitísimo marxe de mellora. O uso de modelos máis completos podería revelar unha maior evidencia a favor das estrelas de bosóns e tamén nos permitiría estudar máis sinais de ondas gravitacionais baixo dita hipótese”.

Este resultado non só podería significar a primeira observación de estrelas de bosóns, senón tamén a dos seus compoñentes fundamentais, un novo tipo de partícula coñecido como bosón ultralixeiro. Estes bosóns foron propostos por moitos científicos como os compoñentes fundamentais da materia escura, que forma o 27% do Universo. Carlos Herdeiro, da Universidade de Aveiro engade que “un dos resultados máis fascinantes é que podemos medir a masa dunha hipotética partícula “escura” e que descartamos con toda probabilidade que esta sexa nula, como no caso do fotón que compón a luz. Se este resultado é confirmado por futuras análises doutras ondas gravitacionais, o noso resultado supoñería a primeira evidencia observacional do, buscado por décadas, compoñente fundamental da materia escura”.