Bosones en el cielo con Agujeros Negros

Título: Descubriendo la cromodinámica cuántica de los axiones usando agujeros negros y ondas gravitacionales – Título original: Discovering the QCD Axion with Black Holes and Gravitational Waves

Autores: Asimina Arvanitaki, Masha Baryakhtar, Xinlu Huang

Institución de la primera autora: Perimeter Institute for Theoretical Physics, Canada

Estado: Publicado en Phys. Rev. D 91, 084011 (2015), de acceso abierto en arXiv

Astrobite original por Luna Zagorac: Bosons in the Sky with Black Holes

El éxito de la colaboración LIGO/VIRGO ha abierto una ventana a muchos fenómenos gravitacionales no explorados con anterioridad, desde la pequeña materia oscura hasta los agujeros negros super-masivos. Otro de estos ejemplos es la superradiancia de los agujeros negros: cuando una onda es dispersada por un agujero negro que esta rotando, la luz puede ser expulsada con una mayor amplitud que la que originalmente tenía, llevándose momento angular del agujero negro. Este efecto es particularmente interesante en el caso de los bosones, que son partículas que no están sometidas al principio de exclusión de Pauli. Esta interacción lleva a la formación de estados estacionarios altamente ocupados en las cercanías de un agujero negro – creando, en esencia, un átomo gravitacional, cuyo núcleo es el agujero negro.

De ese modo, la superradiancia de agujeros negros puede ser usada para detectar indicios de bosones que no pueden ser observados en un detector. En este artículo, Arvanitaki et al. consideran en particular la cromodinámica cuántica de los axiones y las huellas que estos producirían mediante la superradiancia de agujeros negros. Los axiones son partículas teóricas usadas como candidatos robustos a materia oscura bosónica. Los autores estimaron las huellas gravitacionales provenientes de la transición entre “orbitales” del átomo gravitacional y la aniquilación de bosones, pero también las provenientes de la interacción con el agujero negro que está rotando. Ambas categorías (transición-aniquilación y interacción bosón-agujero negro girando) pueden ser medidas por ‘advanced LIGO’ (aLIGO) y observaciones futuras servirán para poner límites a la masa de los axiones en caso de no detectar nada.

Átomos gravitacionales

Al igual que el familiar y amado átomo de hidrógeno, el átomo gravitacional tiene un núcleo – en este caso el agujero negro – y una nube de materia que la rodea, ordenada en orbitales. Pero en vez de electrones, aquí la materia que órbita puede ser cualquier bosón. No es necesario que el bosón sea materia oscura, ni que este se acerque al agujero negro para que ocurra la superradiancia: este fenómeno puede comenzar a través de fluctuaciones cuánticas en el vacío. Para que esto suceda, la condición de superradiancia debe ser satisfecha: la velocidad angular del bosón dividida por su momento angular con respecto al eje de rotación del agujero negro debe ser menor a la velocidad angular del agujero negro en el radio de Schwarzschild. Esto es análogo a tirar una pelota al borde de un cilindro que rota, si la pelota va mas lento que el cilindro, rebotará con un poco más de velocidad.

Una vez que la superradiancia comienza, el número de ocupación de la nube de bosones crece exponencialmente – no como en el átomo de hidrógeno, que tiene solo un electrón. Sin embargo, podemos referirnos a los orbitales con los números cuánticos que solemos usar, pero con los niveles de ocupación creciendo según la masa del agujero negro. Estos niveles de ocupación crecerán hasta que la nube de bosones extraiga tanto momento angular del agujero negro que la condición (discutida en el párrafo anterior) ya no se satisface. Este crecimiento puede durar por un largo tiempo, dado que las escalas de tiempo de la evolución de la superradiancia son millones de veces más corta que la evolución de un agujero negro, que puede llevar años. En la figura 1 están ilustrados las escalas de tiempo de superradiancia pertinentes.

El agujero negro disminuye su rotación

Durante este tiempo, el agujero negro disminuye continuamente su rotación debido a la extracción del momento angular por parte de los bosones, lo que causa que las nubes de bosones transicionen de un estado orbital a otro, hasta que dejen de ser afectados por la superradiancia. Un ejemplo de esta evolución es presentado en la Figura 2. La superradiancia es fácil de activar, incluso sin que los bosones estén cerca del agujero negro y es seguido por un crecimiento exponencial en el número de ocupación de los bosones. La comunidad espera detectar un conjunto de agujeros negros con baja rotación si es que algún campo de bosones existe y produce superradiancia. A medida que LIGO, y en un futuro LISA, detectan más y más fusiones agujeros negros, se podrá poner un límite concreto en la rotación de los agujeros negros. Un conjunto estadístico de agujeros negros podrá también poner límites en las masas de todos los bosones, en particular la de los axiones.

Inclusive, debido a que la superradiancia no es sensible a ninguna otra partícula, esta comparación puede servir para excluir cualquier otro campo bosónico a una masa determinada, dándonos luces de lo que de otra manera es un espacio de parámetros inaccesible.

Las señales gravitacionales de los axiones

Una manera más directa de buscar por señales físicas provenientes de los axiones es a través de su huella gravitacional monocromática (o sea ondas gravitacionales producidas en una frecuencia particular). Una de esas huellas es la transición de los bosones entre niveles orbitales, otra es la aniquilación de dos bosones colisionando. Estas son particularmente prometedoras debido a que ambas señales se verán significativamente aumentadas.

Cada señal dominará una etapa diferente en la vida del átomo gravitacional. Por ejemplo, las transiciones dominaran las señales gravitacionales de los bosones cuando haya al menos dos niveles con un número de ocupación significativo. En la figura 2, esto puede pasar en los límites de las regiones, y puede durar por un millón de años. Por otro lado, las aniquilaciones dominarán sólo cuando un nivel tenga un número de ocupación significativo, como en el ejemplo de la figura 2, durando por cerca de 70,000 años.

La Figura 3 muestra la frecuencia esperada y la presión de una transición orbital permitida. Con la sensibilidad actual y el rango de frecuencias de aLIGO muchos de estas detecciones son viables. Asimismo, con el lanzamiento de LISA (esperado para 2034), se abrirá otra ventana en el rango de frecuencia, permitiendo incluso más detecciones de eventos de colisión de agujeros negros. Junto con las estadísticas en la disminución de la rotación de agujeros negros, estos eventos servirán para detectar axiones o al menos limitar la masa para estas partículas. Esto convierte a los átomos gravitacionales en novedosos e interesantes laboratorios de materia oscura.