Puede resultar que la esquiva sustancia no consista en partículas nuevas.
Cuando el orador del proyecto
aLIGO (Advanced Laser Interferometric Gravitational Wave Observer) anunció la detección de ondas gravitacionales el 11 de febrero de 2016, me sorprendió. Por supuesto, esperábamos que aLIGO nos diera algo interesante en algún momento, pero estábamos pensando en resultados preliminares. Pensamos que el proyecto, después de cálculos complicados y difíciles durante varios meses, nos daría una especie de señal débil, un poco por encima del ruido.
Pero no, los gráficos mostrados en ese fatídico día de febrero eran tan claros e inequívocos que no tenían que demostrar nada. Con mis propios ojos pude ver una forma de onda que no se podía confundir con nada: esta es una fusión de dos agujeros negros, como resultado de lo cual las ondas gravitacionales se dispararon en el espacio-tiempo circundante.
Y eso no fue todo. Los agujeros negros vistos por aLIGO no deberían haber existido en absoluto. Conocemos la existencia de agujeros negros con masas de un millón o un billón de veces la masa del Sol, y hemos visto pequeños agujeros negros con una masa comparable a la del sol. Pero la masa de agujeros negros vista por aLIGO era 30-60 veces más grande que el sol. Algunos de mis colegas sostienen que los agujeros negros de tamaño mediano descubiertos por aLIGO pueden resultar ser la misma materia oscura que nos ha estado ocultando durante casi 50 años.
Esta no es la primera vez que los científicos sugieren que los agujeros negros pueden ser materia oscura, pero pensamos que esta posibilidad fue claramente rechazada. La resurrección de esta idea es otro ejemplo de la rica actividad creativa que surge después de un nuevo descubrimiento. Las ideas que han pasado de moda pueden volver a serlo si las mira con una nueva luz y con entusiasmo, e incluso reemplaza los puntos de vista aceptados. La revisión de los descubrimientos también reúne áreas de investigación aparentemente incomparables, en nuestro caso, es la materia oscura y las ondas gravitacionales, y conduce a conexiones fructíferas.
En la década de 1970, Stephen Hawking y su estudiante graduado Bernard Carr sugirieron que del caos que estalló después del Big Bang, podría emerger un mar de pequeños
agujeros negros primarios . Con el tiempo, podrían crecer y convertirse en la base para la formación de galaxias. Incluso podrían contribuir al presupuesto energético global del universo. Los agujeros negros son pesados y difíciles de ver: necesitamos estas propiedades para explicar la materia ausente del Universo.
Durante varias décadas, los partidarios leales de esta idea la han desarrollado. En la década de 1990, parecía haber sobrevivido a un golpe fatal. En el experimento
MACHO , los científicos enviaron un telescopio a la Gran Nube de Magallanes en busca de una luz parpadeante, lo que significaría que un agujero negro pasó frente a la estrella. Descubrieron que sería muy difícil obtener suficientes agujeros negros para eliminar toda la materia oscura del universo.
Más tarde, Timothy Brandt, del Instituto de Estudios Avanzados de Princeton, estudió el efecto de los agujeros negros en las densas aglomeraciones de estrellas, conocidas como cúmulos globulares que viven en galaxias enanas escondidas en el vacío alrededor de la Vía Láctea. Mostró que en el caso de un exceso de agujeros negros, estos grupos se calentarían, se hincharían y morirían rápidamente. Al sustituir valores específicos para un cúmulo en particular en la galaxia enana Eridanus II, pudo demostrar que solo una pequeña parte de la materia oscura puede existir en forma de agujeros negros. A este respecto, la idea de los agujeros negros que actúan como materia oscura se ha convertido en otra idea exótica, con la que a los teóricos les gusta jugar, pero sin un apoyo real en la naturaleza.
Y la búsqueda de materia oscura se ha centrado en partículas masivas que interactúan débilmente,
WIMP . Estas son partículas fundamentales, reliquias de los primeros tiempos, cuando las interacciones fundamentales en la naturaleza se combinaron y se comportaron de manera completamente diferente de lo que son ahora. Para muchos de mis colegas, el descubrimiento de WIMP es inevitable; deben existir. Tan pronto como construyamos una herramienta suficientemente grande y poderosa, según la mayoría de los cosmólogos, inevitablemente veremos estas partículas extrañas.
Eso simplemente no está sucediendo. Con el tiempo, nuestros detectores se volvieron más potentes y más grandes, pero no encontraron nada. En un reciente experimento de
LUX en busca de partículas raras que dejan su energía en media tonelada de xenón líquido enterrado a un kilómetro bajo tierra en Plomo en Dakota del Sur, no pudieron mostrar evidencia de partículas que nunca antes se habían visto. Richard Gateskel, de la Universidad de Brown, uno de los fundadores de LUX, dijo: “Sería maravilloso que una sensibilidad mejorada nos permitiera ver una señal clara de materia oscura. Sin embargo, lo que estamos observando corresponde solo al fondo ”.
Dada la posición desesperada de WIMP, tiene sentido recoger algunas ideas viejas, especulativas y descartadas. En dos trabajos recientes, uno de los cuales fue encabezado por Simeon Bird de la Universidad. John Hopkins y el otro, Misao Sasaki de la Universidad Yukawa en Tokio, hicieron exactamente eso.
Impulsados por el descubrimiento de aLIGO, resolvieron la cuestión de si los agujeros negros que pesan varias decenas de células solares podrían ser materia oscura. Debería haber habido 10 mil millones de tales agujeros en la Vía Láctea, y el más cercano de ellos puede estar a pocos años luz de nuestro sistema solar. Algunos de ellos tuvieron que formar sistemas binarios, y algunos de dichos sistemas podían ser detectados por aLIGO. Los dos equipos están de acuerdo en que aLIGO debería detectar desde varias unidades hasta varias docenas de tales eventos al año, y deberían prevalecer sobre otros agujeros negros que aparecen de una manera tal como el colapso de estrellas. En otras palabras, si estos agujeros negros son materia oscura galáctica, puede esperar que aLIGO los vea. Y los vio.
El diablo en los detalles. Cómo se suponía que debían aparecer los agujeros negros prehistóricos sigue siendo una pregunta abierta. Una idea es que surgieron en un breve período de expansión acelerada del Universo temprano, durante la inflación. Se suponía que los golpes y la vibración de ese período concentrarían la energía en bolas densas, lo que daría lugar a la formación de agujeros negros. Para que podamos detectarlos, estos agujeros deben acercarse lo suficiente como para fusionarse y emitir ondas gravitacionales. Cómo y cuándo sucede esto depende de la forma de la Vía Láctea, la densidad de la masa y la velocidad de los agujeros negros. Los supuestos razonables dan una respuesta prometedora, pero todavía son especulaciones.
Estos son solo los primeros pasos en el campo después de la euforia del descubrimiento de aLIGO, y cualquier cosa puede suceder. Las limitaciones del experimento MACHO y la física de los cúmulos globulares van en contra de esta idea, pero alguna idea brillante puede resolver todos los problemas asociados con las observaciones.
La apertura de aLIGO me recuerda otra transformación que he observado en mi carrera. En 1991, el
satélite COBE midió por primera vez las ondas CMB que quedaron del Big Bang. La búsqueda decepcionante y casi quijotesca de esta radiación duró más de 25 años y casi se trasladó a las áreas provinciales de la cosmología. La cosmología misma parecía una ciencia esotérica y difícil de describir, un tema vago, aunque muy interesante y creativo. Pero cuando finalmente se encontró la radiación, esto creó una avalancha de ideas no solo para la astronomía, sino también para la física de partículas.
Durante décadas, hemos estado tratando de conectar las leyes fundamentales de la naturaleza que gobernaron el Universo temprano con la forma en que aparecieron las galaxias para evolucionar y formar las estructuras a gran escala visibles hoy en día. El descubrimiento de COBE me puso en el camino que he estado siguiendo hasta el día de hoy, y puedo imaginar cómo aLIGO hará lo mismo con una nueva generación de físicos en su búsqueda de materia oscura.