ondas gravitacionales de materia oscura

Una estrella de neutrones es una ciudad del tamaño de Manhattan que pesa como medio millón de Tierras. Una cucharadita de su materia pesaría más que el Everest. Y ahora, a esta esfera superdensa se le ha añadido algo invisible e inaprensible: partículas de materia oscura. Esto es exactamente lo que hicieron los físicos en una nueva investigación.

El universo es una gigantesca sala de conciertos, donde en lugar de paredes y balcones flotan nubes invisibles de materia oscura. Este conjunto arquitectónico no es estático: refracta y dispersa la «música» que lo atraviesa: las ondas gravitacionales de la fusión de agujeros negros.

Las ondas gravitacionales de la fusión de agujeros negros suenan como acordes graves, los púlsares marcan el ritmo y la radiación cósmica de fondo nos trae ecos del Big Bang. Pero hay un intérprete silencioso: la materia oscura, cuya presencia solo se revela por sus efectos gravitacionales.

La fusión de agujeros negros no es un golpe silencioso. El agujero recién nacido vibra y se amortigua, emitiendo ondas gravitacionales, ondas en el propio espacio. Esta señal se llama «tañido» (ringdown) y se parece al sonido de una campana que se apaga: tiene un tono fundamental y varios armónicos.

Tradicionalmente, un agujero negro se describía mediante tres parámetros: masa, carga y momento angular. Esta descripción lacónica, llevada al aforismo por John Archibald Wheeler: «Los agujeros negros no tienen pelo».

Casi un siglo después de que Fritz Zwicky sospechara que algo andaba mal en el movimiento de las galaxias del cúmulo de Coma, y Vera Rubin midiera las velocidades estelares en los brazos espirales, la naturaleza de la materia oscura sigue siendo uno de los enigmas más acuciantes.

La luz atraviesa una película arrugada y sale ligeramente diferente. De manera similar, las ondas gravitacionales nacidas en el universo temprano sienten la distribución grumosa de galaxias y materia oscura.

Cuando un piano cae a un abismo, pensamos en el abismo. En que el piano lleva funda, no. De manera parecida, durante décadas los astrofísicos han observado los acercamientos extremos de cuerpos pequeños a agujeros negros grandes. Les interesaba el propio agujero negro y lo que gira a su alrededor.

En el centro de la Vía Láctea, como una muñeca rusa dentro de otra, se esconde un agujero negro supermasivo, y a su alrededor hay un enjambre de estrellas y una capa invisible de materia oscura. Esta capa, o "pico", en teoría debería ser muy densa justo en el horizonte.

Un micrófono ultrasensible no escucha el sonido, sino el temblor del propio espacio. Así funcionan los detectores de ondas gravitacionales: LIGO, Virgo, KAGRA.

El 14 de mayo de 2019, los detectores LIGO registraron una explosión gravitacional que no encajaba en los moldes habituales. El evento GW190521 se presentó como la colisión de dos agujeros negros de 85 y 66 masas solares. El agujero resultante, de 142 masas solares, cayó justo en el rango «prohibido» —allí donde los colapsos estelares apenas dejan rastro.

Una estrella de neutrones es el remanente superdenso de una explosión de supernova, donde una cucharadita de materia pesa mil millones de toneladas. Muchas de ellas, como descubrió en 1967 Jocelyn Bell Burnell, se convierten en púlsares — faros cósmicos que emiten pulsos regulares en el rango de radio.

El universo está impregnado de una sustancia invisible: la materia oscura ultraligera, que no choca con la materia ordinaria pero puede temblar como una cuerda tensa. Sus vibraciones alteran las propiedades más fundamentales: la carga del electrón, la velocidad de la luz, como si la afinación de una nota cósmica fluctuara ligeramente.

En los primeros instantes tras el Big Bang, el universo era un caldero hirviendo. Pero luego, según una nueva hipótesis, se enfrió bruscamente durante un breve periodo, mucho más de lo que se pensaba. En este mundo helado, las partículas de materia oscura, similares a diminutos péndulos, se quedaron quietas y no comenzaron a oscilar.

La materia oscura es la gran invisible del cosmos. No emite, no absorbe, no refleja luz, pero su agarre gravitacional se siente en cada movimiento de las galaxias. Hace setenta años, Vera Rubin demostró que los bordes de las galaxias giran demasiado rápido, como si un pastor invisible las impulsara.

Justo después del Big Bang, el espacio se cubrió de ondulaciones — ondas gravitacionales, como las que provoca una piedra al caer al agua. Estas vibraciones del propio tejido del cosmos, predichas por Alan Guth, se extendieron por todo el universo.

Un detector lleno de helio-4 superfluido se asemeja a un lago perfectamente tranquilo. El líquido no chapotea ni burbujea: permanece inmóvil en un único estado cuántico. A través de él atraviesa un visitante invisible: una partícula de materia oscura. Ella misma no brilla ni deja rastro.

En una enorme sala se colocan cien diapasones. Cada uno de ellos es un púlsar, un resto estelar superdenso que gira a una velocidad vertiginosa y emite pulsos de radio con más precisión que cualquier reloj.

En el mundo cuántico, los electrones pueden comportarse como ondas. Si se crean condiciones especiales para ellos, estas ondas comienzan a sentir algo parecido a la gravedad. En cristales llamados semimetales de Weyl, los electrones se mueven como si no tuvieran masa y su energía depende de la dirección, como un cono inclinado.

Las ondas gravitacionales son ondulaciones en el tejido del espacio-tiempo, que se propagan desde sus fuentes como los círculos en el agua al arrojar una piedra. Cuando una onda pasa junto a una galaxia, su trayectoria se curva, tal como las ondulaciones del agua al encontrarse con una roca sumergida.

Cada noche, en el archivo municipal, el encargado coloca las nuevas carpetas en los estantes. Si durante el día han llegado demasiadas, los estantes se comban y a la mañana siguiente el archivo responde a las solicitudes con más lentitud. Así funciona aproximadamente la memoria de un agujero negro: no solo almacena información, sino que siente físicamente su peso.