La materia oscura, la invitada invisible más famosa del universo, se cree que constituye la mayor parte de la materia en el cosmos, pero nadie puede verla, tocarla, ni lograr que confirme su asistencia. A diferencia de la materia ordinaria, se niega a interactuar con la luz o las fuerzas electromagnéticas, dejando a la gravedad como la única forma conocida de detectar su presencia. Ahora, los investigadores creen que los agujeros negros en colisión podrían finalmente darle a esta esquiva sustancia una razón para mostrarse.

Físicos del MIT y varias instituciones europeas han desarrollado un método para detectar posibles señales de materia oscura ocultas dentro de las ondas gravitacionales, esas ondulaciones en el espacio-tiempo creadas cuando objetos masivos como agujeros negros giran juntos y se fusionan. Si esos agujeros negros viajan a través de densas nubes de materia oscura antes de colisionar, las ondas gravitacionales resultantes podrían llevar rastros sutiles de esa interacción, como una huella cósmica en una ventana. El equipo probó su enfoque utilizando datos públicos de LIGO-Virgo-KAGRA (LVK), la red internacional de observatorios de ondas gravitacionales que monitorea fusiones de agujeros negros y otros eventos cósmicos distantes.

Los investigadores analizaron señales de las primeras tres campañas de observación de LVK, centrándose en 28 de los eventos de ondas gravitacionales más claros detectados hasta ahora. Para 27 de esos eventos, las señales coincidían con lo que los científicos esperarían de agujeros negros fusionándose en el espacio vacío, el negocio habitual en el vacío. Pero una señal, conocida como GW190728, parecía diferente. Según el análisis del equipo, el patrón de esa onda gravitacional podría contener evidencia de una interacción con materia oscura. Los investigadores enfatizan que esto no cuenta como un descubrimiento confirmado, más bien como una pista prometedora en un caso frío cósmico.

"Sabemos que la materia oscura está a nuestro alrededor. Solo tiene que ser lo suficientemente densa para que veamos sus efectos", dice Josu Aurrekoetxea, postdoctorado en el Departamento de Física del MIT. "Los agujeros negros proporcionan un mecanismo para aumentar esta densidad, que ahora podemos buscar analizando las ondas gravitacionales emitidas cuando se fusionan". Los hallazgos aparecen en Physical Review Letters, coautorados por Aurrekoetxea, el miembro de LVK Soumen Roy de la Université Catholique de Louvain (UCLouvain) en Bélgica, Rodrigo Vicente de la Universidad de Ámsterdam, Katy Clough de la Universidad Queen Mary de Londres y Pedro Ferreira de la Universidad de Oxford.

La materia oscura sigue siendo una de las mayores vergüenzas de la física: los científicos infieren su existencia porque la gravedad alrededor de las galaxias parece más fuerte de lo que la materia visible por sí sola puede explicar, y las observaciones de lentes gravitacionales muestran una masa extra que desvía la luz. Las estimaciones actuales sugieren que la materia oscura podría representar más del 85% de la materia en el universo, pero los investigadores aún no saben qué es realmente. Una forma propuesta involucra partículas extremadamente ligeras llamadas partículas "escalares ligeras", que las teorías sugieren que pueden comportarse como ondas coordinadas cerca de los agujeros negros. Los científicos creen que cuando estas ondas encuentran un agujero negro que gira rápidamente, la energía rotacional del agujero negro puede transferirse a las ondas de materia oscura, aumentando drásticamente su densidad, un proceso conocido como superradiancia, que se ha comparado con batir crema hasta convertirla en mantequilla. (No estamos seguros de que la materia oscura sepa a mantequilla, pero la analogía se sostiene). Si la densidad se vuelve lo suficientemente alta, la materia oscura podría alterar las ondas gravitacionales producidas cuando los agujeros negros chocan.

Para investigar esto, los investigadores construyeron simulaciones detalladas de fusiones de agujeros negros bajo muchas condiciones diferentes, variando factores como las masas y tamaños de los agujeros negros, la cantidad de materia oscura circundante y su densidad. Usando esas simulaciones, el equipo predijo cómo aparecerían las ondas gravitacionales si los agujeros negros se fusionaran dentro de un entorno denso de materia oscura en lugar de en el vacío, y tuvieron en cuenta cómo esas ondas cambiarían al viajar a través de millones de años luz hasta la Tierra. Comparando sus predicciones con las observaciones reales de LVK, GW190728 fue el único evento de 28 que mostró ag