Agujero negro pinball: cómo la rotación genera materia oscura exprés
La luz, al pasar cerca de un agujero negro, cae en una trampa gravitacional: su trayectoria se curva, y la partícula rebota en una órbita casi cerrada, como una bola de pinball. Cuanto más dura esta carrera, más probabilidades hay de que, por los empujones de los campos magnéticos, el fotón se convierta en un axión, esa partícula invisible que probablemente forma la materia oscura. Esta posibilidad fue predicha por el Frank Wilczek.
Si en los agujeros negros activos la luz de alta energía se atenúa más de lo calculado, significa que parte de ella se ha convertido en axiones. Así, el pinball cósmico se convierte en un laboratorio barato para buscar materia oscura, reemplazando los experimentos terrestres.
Resumen original
tal como lo escribieron los autores, en inglés arXiv:2605.22696
We investigate photon-axion conversion in the vicinity of rotating Kerr black holes where strong gravity traps photons on near-circular trajectories, effectively enhancing the path length. We explore the observable signatures of such a conversion near the photon region. The process, driven by ambient magnetic fields, is significantly more efficient around supermassive black holes such as M87*, since the luminosity of photons increases with the mass of the BH. By numerically evaluating photon path lengths (on which the conversion depends), we analyze how key parameters-photon frequency, axion mass, photon-axion coupling, magnetic field strength, plasma density, and black hole spin-affect the conversion probability and the resultant dimming of photon spectral luminosity. We find that the conversion is most efficient at high frequencies (X-rays and gamma rays), while the frequency window associated with efficient conversion widens with an increase in the photon-axion coupling and a decrease in the electron density and the axion mass. The magnitude of dimming of the photon spectral luminosity depends primarily on the magnetic field, the photon-axion coupling and the BH spin. Our study reveals that rotating black holes generally exhibit enhanced dimming compared to static ones. Thus, if future telescopes achieving a resolution $$\sim 10^{-5}$$ arcsec in the X-ray/gamma-ray band detect a dimming of the photon spectral luminosity, then they can provide interesting constraints on the axion mass and its coupling with photons.
En el pinball, la bola puede estar dando vueltas varios segundos; en el agujero negro M87* la luz se retiene apenas un milisegundo, pero en ese tiempo recorre decenas de miles de kilómetros — y ese instante basta para que nazca un axión, que luego atravesará sin problemas un planeta entero.