Un equipo liderado por investigadores de la Universidad de Nagoya en Japón ha encontrado una manera de detectar cabello de agujero negro mediante cambios en las ondas de resonancia. Tal y como se publica en 'Journal of Cosmology and Astroparticle Physics', descubrieron que la materia oculta no afecta estas ondas de manera uniforme; la frecuencia y la velocidad de desvanecimiento de las ondas responden de forma diferente. Esta diferencia podría indicarnos si hay materia oculta presente y cómo se distribuye su presión alrededor de un agujero negro.
Cuando dos agujeros negros chocan y se fusionan, el agujero negro resultante resuena como una campana, emitiendo ondas gravitacionales con frecuencias específicas que se desvanecen con el tiempo. Este breve y evanescente patrón de ondas se denomina decaimiento y podría revelar secretos sobre lo que se esconde alrededor de los agujeros negros.
Según las reglas básicas de Einstein para el tipo más simple de agujero negro, las ondas de decaimiento dependen únicamente de dos factores: la masa del agujero negro y su velocidad de rotación. Pero los expertos aún se preguntan cómo averiguar qué ocurre si los agujeros negros tienen materia oculta a su alrededor. No obstante, de ser así, esta materia también afectaría las características de las ondas de decaimiento. En consecuencia, estas ondas podrían contener información sobre la materia oculta que rodea al agujero negro. En física teórica, esta estructura adicional se conoce a menudo como 'cabello de agujero negro'.
En el caso de los agujeros negros en rotación, la materia oculta afecta de manera diferente al decaimiento de las ondas, dependiendo de si estas se mueven a favor o en contra de la rotación del agujero negro. El estudio indica qué patrón en la señal de ondas gravitacionales sería un indicio de la presencia de materia oculta y podría ayudar a futuras observaciones a distinguir un agujero negro con materia oculta de uno ordinario.
Los científicos continúan poniendo a prueba si la teoría de la relatividad general de Einstein describe a la perfección los agujeros negros y qué desviaciones pueden existir. Encontrar indicios de la presencia de materia extra en los agujeros negros es difícil porque los distintos tipos de materia adicional o la nueva física pueden alterar el decaimiento de la señal de diversas maneras. Este estudio ofrece a los investigadores una idea más clara de qué patrones buscar en futuros datos de decaimiento.
"El 'cabello de agujero negro' podría representar materia que rodea al agujero negro, o desviaciones del tipo más simple de agujero negro predicho por la relatividad general. Dado que estas desviaciones pueden alterar ligeramente la señal de decaimiento, detectarlas o descartarlas podría brindarnos una nueva forma de probar la gravedad en esta región extrema", comenta la primera autora, Ariadna Uxue Palomino Ylla, estudiante de doctorado de la Escuela de Posgrado de Ciencias de la Universidad de Nagoya.
Un agujero negro distorsiona el espacio-tiempo de forma tan drástica que desvía la trayectoria de la luz y las ondas gravitacionales. Si existe materia oculta o nueva física que afecte a la gravedad, los efectos serían más pronunciados precisamente donde la gravedad es más intensa. Esto convierte a los agujeros negros en el lugar idóneo para descubrir si existe materia oculta o física desconocida.
Para detectar la presencia de cabello, el equipo se basó en una relación conocida. La órbita de la luz cerca de un agujero negro se corresponde con el comportamiento de sus ondas de resonancia, por lo que los científicos pueden calcular una a partir de la otra. Añadieron una pequeña cantidad de materia oculta a los modelos estándar de agujeros negros y utilizaron las ecuaciones de Einstein para calcular cómo esa materia modifica la frecuencia y la velocidad de desvanecimiento de las ondas de resonancia.
Los investigadores pusieron a prueba este método en tres agujeros negros teóricos bien conocidos. También lo extendieron a agujeros negros en rotación y estudiaron la luz que orbita en la misma dirección de la rotación y la luz que orbita en sentido contrario.
Un hallazgo clave es que la frecuencia y la velocidad de atenuación de las ondas de decaimiento no varían de la misma manera. La diferencia entre ellas depende de la cantidad de materia oculta presente y de cómo se distribuye su presión alrededor del agujero negro.
"Las ondas de decaimiento no solo podrían mostrar que algo adicional está afectando al agujero negro; la forma en que cambia la señal también podría darnos pistas sobre cómo es realmente esta materia oculta", aporta Palomino Ylla.
Los investigadores incluyeron agujeros negros en rotación en su análisis. La rotación complica los cálculos, ya que la luz que orbita en la misma dirección que el agujero negro se comporta de manera diferente a la luz que orbita en sentido contrario. La materia oculta también modificaría la frecuencia de la resonancia y la velocidad de desvanecimiento de forma distinta, según la dirección de rotación. El patrón exacto depende del tipo de materia oculta involucrada.
En lugar de estudiar desde cero cada posible tipo de filamento de agujero negro, el nuevo método ofrece a los investigadores una forma común de predecir cómo la materia adicional o la nueva física podrían alterar la señal de un agujero negro. Si bien los resultados son estimaciones preliminares, este método ayuda a los científicos a saber qué buscar si detectan alguna anomalía en la señal de un agujero negro real. En el futuro, este enfoque podría ayudar a los investigadores a utilizar estas ondas para obtener información sobre el tamaño, el espín y cualquier filamento de agujero negro cercano.
