Los detectores LIGO, Virgo y KAGRA registran de forma regular fusiones de agujeros negros de masa estelar, pero el origen de estos objetos sigue siendo un enigma. Los agujeros negros primordiales, que podrían haberse formado en el universo temprano, se consideran candidatos a desempeñar el papel de materia oscura. Despiertan un interés especial los agujeros negros con masas inferiores a la solar: la evolución estelar no puede explicarlos, por lo que su detección sería una indicación directa de un origen primordial. Las búsquedas existentes de ondas gravitacionales de estos objetos se dividen en dos bandos: filtros adaptados para masas cercanas a la solar y métodos semicoherentes para masas planetarias. Entre ambos se abre un hueco en el rango de masas chirp de 0,01 a 0,1 masas solares, donde las señales duran de minutos a horas y evolucionan rápidamente en frecuencia. Este trabajo llena precisamente ese nicho utilizando datos de las sesiones de observación O4a y O4b de LIGO.
Los autores aplicaron el método BinaryGFH-v2, que trabaja con mapas de picos: representaciones tiempo-frecuencia de los datos en las que se seleccionan los máximos locales de potencia que superan un umbral. Para una ley de potencias de la evolución de la frecuencia de la binaria, el método transforma los picos del plano de tiempo y frecuencia del detector en líneas del plano de frecuencia inicial y masa chirp. La búsqueda se realizó en el rango de frecuencias de 71 a 169 Hz, dividido en cinco configuraciones con duraciones de transformada de Fourier coherente de 4 a 0,5 segundos. Los candidatos se seleccionaron de forma independiente en los detectores de Hanford y Livingston, tras lo cual se exigía una coincidencia de parámetros dentro de tres bins y la superación del umbral medio de relación crítica de aproximadamente 6. Para verificar los candidatos se utilizó la demodulación de fase seguida de una búsqueda de deriva residual de frecuencia mediante el método de Hough en frecuencia. Todo el análisis ocupó unas 350 horas de CPU, entre dos y tres órdenes de magnitud menos que las búsquedas semicoherentes anteriores, y entre cuatro y cinco órdenes de magnitud menos que la filtración adaptada.
En los datos de O4a y O4b no sobrevivió ningún candidato significativo. Tras la etapa de coincidencias había 158870 candidatos en O4a y 139260 en O4b, pero después de aplicar el umbral de relación crítica quedó un candidato en O4b, y tras tener en cuenta los eventos subumbral hasta CR=5, tres candidatos. Todos ellos fueron rechazados en la etapa de verificación posterior, ya que sus trazas tiempo-frecuencia se cruzaban con líneas instrumentales y peines conocidos. La ausencia de eventos permitió establecer límites superiores del 90% sobre la densidad de tasa de fusiones en el rango de masas chirp de 0,01 a 0,1 solar. Estos límites conectan las restricciones de las búsquedas prolongadas de masas planetarias con las de la filtración adaptada de masas más altas. Bajo el supuesto de que los agujeros negros primordiales forman binarias en el universo temprano sin supresión de fusiones, se han obtenido las primeras restricciones de ondas gravitacionales sobre la fracción de agujeros negros primordiales en la materia oscura: fPBH < 1 para masas iguales y para sistemas asimétricos con masa secundaria de 0,0003 a 0,01 solar y masa primaria de 2,5 solar.
El trabajo llena un hueco importante en las búsquedas de ondas gravitacionales de objetos subsolares, uniendo dos regímenes antes separados. A diferencia de los estudios vecinos, que o bien cubren masas planetarias con métodos semicoherentes prolongados, o bien utilizan filtración adaptada para masas cercanas a la solar, aquí se estudia por primera vez de forma sistemática el rango intermedio con evolución rápida de la frecuencia. El método BinaryGFH-v2 demuestra que esa búsqueda es posible con un coste computacional de órdenes de magnitud inferior al de las alternativas. Las restricciones obtenidas sobre los agujeros negros primordiales no dependen de una función de masa ni de un factor de supresión concretos, lo que permite a otros investigadores recalcularlas para sus propios modelos.
El desarrollo futuro puede incluir la aplicación del método a los datos de futuras sesiones de observación de LIGO, Virgo y KAGRA, así como a los datos de detectores de próxima generación previstos, como Einstein Telescope y Cosmic Explorer. Mejorar la estimación de la densidad espectral de potencia en intervalos coherentes cortos puede aumentar la sensibilidad en la parte alta del rango de masas. Además, se puede extender el análisis a un rango más amplio de frecuencias y masas, así como a sistemas triples u órbitas excéntricas.
Los resultados influyen directamente en las restricciones sobre la fracción de agujeros negros primordiales en la materia oscura, al ofrecer un método de verificación independiente del microlente gravitacional. También marcan pautas para futuros sondeos de ondas gravitacionales y para los modelos teóricos de formación de binarias en el universo temprano.
El siguiente paso será aplicar BinaryGFH-v2 a los datos completos de O4, incluidos los periodos de triple compatibilidad con Virgo, y a los datos de O5. En paralelo, conviene mejorar los algoritmos de estimación de ruido para transformadas de Fourier cortas, con el fin de aumentar la sensibilidad en masas chirp altas.
En el campo de la astronomía de ondas gravitacionales sigue sin resolverse la cuestión de la naturaleza de la materia oscura y de la existencia de agujeros negros primordiales. Este trabajo contribuye a resolver ese problema al proporcionar las primeras restricciones en un rango de masas antes inexplorado. Además, demuestra que los métodos semicoherentes pueden cubrir de forma eficaz regímenes intermedios, lo que abre el camino a un mapeo más completo de la población de objetos compactos subsolares.
La masa chirp es una combinación de las masas de los dos componentes de una binaria que determina el ritmo de cambio de la frecuencia de la onda gravitacional. Para un sistema de dos objetos de 0,05 masas solares cada uno, la señal en el detector LIGO duraría unos 20 minutos, cambiando su frecuencia de 169 a 71 Hz.
La idea de los agujeros negros primordiales como materia oscura se explora en la novela «La escalera de Schild» de Greg Egan, donde objetos compactos exóticos influyen en la estructura del espacio. La búsqueda de objetos subsolares invisibles resuena con la trama de la película «Interstellar», en la que los agujeros negros desempeñan un papel clave en el destino de la humanidad.