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17 de Julio de 2020
Gravitación

Las fusiones de agujeros negros podrían ayudar a descubrir el gravitón

Las esquivas partículas de la gravedad podrían generar luz detectable en los eventos gravitatorios intensos, de acuerdo con nuevas simulaciones.

Las fusiones de agujeros negros, como la que muestra esta simulación, podrían servir para confirmar la existencia del gravitón, la hipotética partícula mediadora de las interacciones gravitatorias. [Simulating eXtreme Spacetimes]

Si miramos con suficiente resolución, todo tiene una estructura granular: los árboles están hechos en su mayor parte de quarks, los rayos de sol son enjambres de fotones y los teléfonos funcionan gracias a corrientes de electrones. Los físicos han detectado las partículas que forman la materia y la luz, y las que transmiten la mayoría de interacciones, pero ningún experimento ha desvelado aún el lado granular de la gravedad.

Muchos físicos asumen que la gravedad también está mediada por corpúsculos, pero que estos «gravitones» sin masa interaccionan tan débilmente con el resto de partículas que resultan indetectables. Para confirmar la existencia de los gravitones, algunos teóricos proponen buscarlos allí donde deberían formar verdaderas hordas: en torno a eventos gravitacionales intensos como las fusiones de agujeros negros. Un análisis publicado en marzo en Physical Review Letters sugiere que tales cataclismos podrían sacar a los gravitones de entre las sombras.

Donde hay energía, hay gravedad. Y los fotones (paquetes de energía electromagnética) pueden transformarse espontáneamente en las partículas mediadoras de la gravedad en situaciones muy particulares, como apunta Douglas Singleton, físico de la Universidad Estatal de California que no participó en el estudio. Lo contrario, añade, también es posible: que los gravitones se conviertan en fotones. El nuevo análisis propone un mecanismo por el que los gravitones podrían producir muchos miles de millones de fotones más de lo esperado, lo cual ayudaría a verificar su existencia.

Raymond Sawyer, físico de la Universidad de California en Santa Bárbara y autor del estudio, afirma que «un primer cálculo basado en la intensidad de los gravitones en las inmediaciones de una colisión entre agujeros negros se aproxima» a las cifras que se necesitarían para generar luz detectable.

De acuerdo a trabajos anteriores, otras partículas sin masa pueden cambiar súbitamente de estado en grandes cantidades —en un proceso que a veces se denomina «ruptura cuántica» (quantum break)—, así que Sawyer realizó simulaciones para determinar si los gravitones experimentarían el mismo fenómeno. Y sus resultados indican que sí lo hacen: cuando la densidad de gravitones es lo bastante alta, algunos acaban convirtiéndose en un estallido de partículas de luz. «Es como una tormenta que se gesta sin apenas dar señales», subraya Sawyer. «No se aprecia nada hasta que ocurre.»

En las fusiones de agujeros negros, deberían darse las condiciones necesarias para que dicho efecto produjese fotones en forma de ondas de radio, con longitudes de onda de muchos kilómetros. Esta señal sería muy débil, pero tal vez podríamos detectarla desde la Tierra si la colisión es lo bastante violenta (algo más que las observadas hasta ahora, según Sawyer), aunque los científicos tendrían que distinguirla de otras emisiones similares debidas a los gases presentes.

Sin embargo, primero hay que comprobar la validez del modelo. Sawyer espera que futuras simulaciones demuestren que los estallidos de fotones también ocurren en modelos más realistas de eventos gravitatorios intensos, donde los gravitones se arremolinan en configuraciones intrincadas. Singleton coincide en que el problema requiere más potencia computacional: los análisis actuales realizan «grandes simplificaciones», señala, así que «la idea es despertar el interés de los científicos para que se involucren en los complejos cálculos».

Charlie Wood

Referencia: «Quantum break in high intensity gravitational wave interactions», Raymond F. Sawyer en Physical Review Letters, vol. 124, n.º 10, art. 10130, 10 de marzo de 2020.

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