lente gravitacional de materia oscura

Un rayo de luz que pasa cerca de un cuerpo masivo se curva a su alrededor, como un corredor que dobla la esquina del estadio. Para una estrella de neutrones, ese ángulo de desviación suele considerarse igual al de una masa puntual.

Un armazón invisible mantiene unidas las galaxias, impidiendo que se dispersen. Es la materia oscura, una sustancia que no brilla y casi no interactúa con la materia ordinaria. Los astrofísicos llevan tiempo debatiendo de qué está hecha.

En los oscuros confines de nuestra galaxia, lejos de los brillantes cúmulos estelares, se esconden millones de agujeros negros. Son invisibles: no emiten luz ni absorben materia de manera notable. Los métodos de búsqueda habituales, diseñados para campos estelares densos, son inútiles aquí. Se necesita otro enfoque.

La luz en una lente cambia de dirección, eso lo sabe todo el mundo. Las ondas gravitacionales, al pasar cerca de un cuerpo masivo, también curvan su trayectoria.

El 23 de noviembre de 2023, los detectores de LIGO captaron algo extraño. La señal de ondas gravitacionales de la fusión de dos agujeros negros, denominada GW231123, apuntaba a masas récord — 137 y 101 masas solares — y una rotación anómalamente rápida. Sería la pareja más masiva y de rotación más rápida jamás registrada.

Doscientos millones de estrellas. En el centro de la Galaxia, donde apuntará el futuro estudio del telescopio Nancy Grace Roman, unas 250 veces durante la misión la luz de una de ellas temblará por un toque invisible.

Ocho puntos brillantes en el cielo radioeléctrico. Son el mismo cuásar HS 0810+2554, cuya luz atravesó una lente gravitacional: una galaxia masiva en primer plano.

En 2019, en el detector LIGO se registró una onda gravitacional — una ondulación en el tejido del espacio-tiempo — cuyo mapa tiempo-frecuencia se asemejaba a un curioso peine. Cada señal de fusión de agujeros negros deja un patrón único, similar a huellas dactilares.

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.

La luz de una estrella lejana se intensifica por un instante cuando un objeto masivo e invisible pasa entre ella y el telescopio. Este fenómeno, el microlente gravitacional, actúa como un telescopio natural.

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.

Si un agujero negro gira rápidamente, puede retener a su alrededor una nube de partículas ultraligeras, tan ligeras que su masa casi desaparece. Juntas se organizan en capas, como los electrones en un átomo, pero en lugar de fuerzas eléctricas, actúa la gravedad. Esta estructura acumula energía como un resorte tensado.

Las ondas gravitacionales — el temblor del cosmos provocado por cataclismos lejanos — son tan débiles que captarlas es como escuchar un susurro en medio de un huracán. Pero un agujero negro puede amplificarlo muchas veces.

La gravedad del agujero negro crea una curvatura del espacio, actuando como una lente: la luz de una galaxia lejana se desdobla, se alarga en arcos.

Dos transatlánticos navegan de noche sin luces. Uno fue construido en un astillero con planchas de acero; el otro parece haber brotado por sí solo de la espuma y las olas. De oído son casi indistinguibles, pero un hidroacústico experimentado captará la diferencia en el rumor de las hélices y en las líneas del casco.

La astrofísica del siglo XXI aturde con triunfos: captamos el temblor del espacio-tiempo por la fusión de gigantes invisibles; vislumbramos la «sombra» de un monstruo supermasivo en una galaxia lejana; trazamos las órbitas de estrellas que danzan alrededor de algo compacto en el corazón de la Vía Láctea.

En 2019, el Telescopio del Horizonte de Sucesos regaló a la humanidad la primera imagen de la sombra de un agujero negro: un anillo de fuego alrededor del abismo en el centro de la galaxia M87.

En 2015, dos instalaciones gigantes en Estados Unidos captaron el temblor del espacio: una onda gravitacional proveniente de la colisión de agujeros negros. Desde entonces, estas señales se detectan con regularidad, pero los propios detectores son enormes: sus brazos se extienden a lo largo de kilómetros.

Los agujeros negros clásicos —regiones del espacio-tiempo con una gravedad tan poderosa que ni siquiera la luz puede escapar—, según la relatividad general, ocultan en su centro una singularidad: un punto de densidad y curvatura infinitas donde las leyes conocidas de la física pierden su sentido.

Una peonza pesada lanzada cerca de un agujero negro no sigue la curva que dibujan los libros de texto. Su propia rotación y su achatamiento —como el de una calabaza aplastada por los polos— hacen que la trayectoria zigzaguee. En este nuevo trabajo, ese camino zigzagueante se ha calculado con mayor precisión que nunca.

El cúmulo de galaxias Bala es el lugar donde chocaron dos enormes nubes de galaxias, gas y materia invisible. Cuando la luz de estrellas lejanas pasa cerca de un cúmulo así, la gravedad desvía su trayectoria, como una lente. Los astrónomos examinan esas distorsiones y calculan dónde se esconde la masa.

La fusión de dos estrellas de neutrones es como el golpe de un gong: un estremecimiento del espacio se expande por el universo, una onda gravitacional. Los detectores en la Tierra captan ese estremecimiento y, según su fuerza, calculan la distancia hasta la fuente.

Si se produce un breve destello de luz cerca de un agujero negro, este responde con un eco prolongado, como una campana que sigue sonando después del golpe. La luz se retrasa cerca del agujero, reflejándose una y otra vez en una frontera invisible: la esfera de fotones, donde los rayos giran en círculos, como el sonido en el metal.

La fusión de agujeros negros genera una onda gravitacional. A veces, en el camino de la onda se interpone una galaxia o un grumo de materia oscura, predicha por Zwicky y descubierta por Rubin.

La materia oscura es un océano invisible que, como mostraron las observaciones de Vera Rubin, evita que las estrellas se dispersen en las galaxias.

La luz de una galaxia lejana se ha duplicado, triplicado, cuadruplicado, y en el centro ha aparecido un quinto fantasma. Así es HerS-3: una galaxia joven, llena de polvo y estrellas recién nacidas, cuya luz ha atravesado una lente gravitacional, un objeto masivo que curva los rayos como el cristal de una lupa.

Las ondas gravitacionales de la fusión de una estrella de neutrones con un agujero negro llevan la huella de la dinámica más compleja del espacio-tiempo. Para descifrar esa huella, los físicos calculan amplitudes de dispersión: las probabilidades cuánticas de que dos cuerpos se separen con un cierto ángulo.

Un electrón deslizándose sobre colinas y valles invisibles creados por la textura de espín: así se ve un nuevo capítulo en la física de la materia condensada. En materiales cuánticos con la dirección de los espines localizados variando suavemente (textura de espín), el electrón deja de ser simplemente una partícula que vuela a través de la red.