M87, ¿agujero negro o estrella de bosones invisible?

En abril del año pasado, el mundo se quedó boquiabierto al contemplar la primera imagen de un agujero negro de la historia. O, más concretamente, la silueta de su ominosa sombra rodeada por un brillante anillo de materia incandescente y anaranjada. El «monstruo», a 55 millones de años luz de la Tierra, era el agujero negro supermasivo M87, con una masa equivalente a la de 7.000 millones de soles y situado en el centro de la galaxia M87 a la que debe su nombre.

La hazaña científica se consiguió tras largos años de esfuerzos de centenares de investigadores de la colaboración internacional que opera el Event Horizon Telescope (EHT), un telescopio «virtual» formado por una red de potentes radiotelescopios repartidos por todo el mundo.

Como todos los grandes avances científicos, aquella investigación abrió para la ciencia todo un mundo de nuevas preguntas y posibilidades. Pero también de dudas. Entre ellas, la formulada en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society por el astrofísico Hector Olivares al frente de un equipo de investigadores de la Universidad Radboud, en Países Bajos, y de la Universidad Goethe, en Alemania: ¿Cómo podemos estar seguros de que M87 es realmente un agujero negro?

M87

«Desde luego -explica el propio Olivares a la revista Science Alert– la imagen es consistente con nuestras expectativas sobre cómo se vería un agujero negro. Pero es importante estar seguros de que lo que estamos viendo es realmente lo que pensamos».

Lo cierto es que por lo menos algunos de los agujeros negros supermasivos estudiados por los científicos podría, en realidad, ser otra cosa. Una posibilidad realmente desconcertante. «Ahí arriba», en efecto, podría existir otra clase de objetos, nunca observados hasta ahora pero teóricamente posibles, y que a simple vista se podrían confundir con agujeros negros: estrellas invisibles hechas de bosones.

«Igual que sucede con los agujeros negros -prosigue Olivares-, la relatividad general también predice la existencia de las estrellas de bosones, que pueden crecer hasta millones de masas solares y ser muy compactas. El hecho de que compartan estas características con los agujeros negros supermasivos ha llevado a algunos autores a proponer que por lo menos algunos de los objetos compactos supermasivos observados en los centros de las galaxias podrían ser, en realidad, estrellas de bosones».

Ahora bien, ¿Cómo distinguir los unos de las otras? En su estudio, Olivares y su equipo han calculado qué aspecto tendría una estrella de bosones si fuera observada por un telescopio, y cómo podríamos distinguirla de un auténtico agujero negro.

¿Qué es una estrella de bosones?

Desde luego, se trata de uno de los objetos teóricos más extraños que existen. No se parecen en nada a las estrellas convencionales, excepto por el hecho de que están hechas de materia… aunque no de la misma materia. Las estrellas «normales», en efecto, están compuestas principalmente por fermiones, una familia de partículas que incluye a protones, neutrones y electrones, es decir, a los componentes básicos de los que el mundo material está hecho.

Sin embargo, las estrellas de bosones no estarían formadas por esas mismas partículas materiales, sino por… bosones. Es decir, partículas que transportan las unidades mínimas de las fuerzas de la naturaleza, como es el caso de los fotones, los gluones, los bosones W y Z o el famoso bosón de Higgs. Y, por supuesto, resulta que los bosones no siguen las mismas reglas que los fermiones.

Los fermiones, por ejemplo, están sujetos al principio de exclusión de Pauli, lo que significa que no puede haber dos partículas idénticas ocupando el mismo espacio. Los bosones, sin embargo, pueden superponerse, y cuando se juntan actúan como si fueran una gran partícula de materia. Es algo más que comprobado en cientos de experimentos de laboratorio al producir los llamados «condensados de Bose-Einstein».

En el caso de las estrellas de bosones, por lo tanto, las partículas pueden comprimirse en un espacio al que se pueden asignar distintos valores o representar como puntos en una escala. Y si se da el tipo correcto de bosones y si esos bosones tienen las disposiciones adecuadas, ese conjunto o «campo escalar» podría alcanzar una configuración estable. Eso, por lo menos, es lo que dice la teoría, ya que hasta ahora nadie ha podido ver uno de estos objetos.

M87: Estrellas invisibles

Las estrellas de bosones serían, además, prácticamente indetectables. No tendrían en sus centros poderosos hornos de fusión nuclear, ni emitirían radiación alguna. Sencillamente estarían ahí, en el espacio, invisibles igual que un agujero negro.

Sin embargo, y a diferencia de estos últimos, las estrellas de bosones no tendrían un «horizonte de sucesos», el límite después del que nada puede volver a salir, sino que serían totalmente transparentes. La luz, por lo tanto, no se quedaría atrapada en su interior, sino que los fotones que la componen podrían atravesarlas libremente, aunque con su trayectoria algo curvada debido a la acción de la gravedad.

Con todo, algunas estrellas de bosones podrían estar rodeadas por ardientes anillos giratorios de plasma, algo muy similar a los discos de acreción que rodean a los grandes agujeros negros como M87. En esos casos, su aspecto sería muy parecido al de un agujero negro, un anillo brillante con una región oscura en su interior. ¿Pero cómo distinguir entre ambos?

La respuesta, en los anillos de plasma

Precisamente con el fin de poder distinguir una cosa de otra Olivares y su equipo llevaron a cabo simulaciones de la dinámica de esos anillos de plasma alrededor de estrellas de bosones y los compararon después con lo que podemos esperar ver en un agujero negro.

De este modo, hallaron que la sombra de la estrella de bosones sería significativamente más pequeña que la de un agujero negro de masa similar. Por eso, el equipo descartó, por lo menos en el caso de M87, que pudiera tratarse en realidad de una estrella de bosones. Sencillamente, su sombra es demasiado grande. Una excelente noticia para los autores de la histórica imagen.

Lo cual no significa que futuras observaciones llevadas a cabo con el EHT de otros agujeros negros no puedan inducir a error. El trabajo de Olivares y sus colegas puede ayudar a separar la paja del heno, y determinar en cada caso si lo que estamos viendo es un agujero negro supermasivo o una estrella de bosones.

En este último caso se demostraría, por un lado, que esos fantasmagóricos objetos teóricos son reales. Y por otro, el hallazgo tendría enormes implicaciones para la Astrofísica y la Cosmología, desde la inflación del Universo primitivo a la búsqueda de materia oscura.

En palabras de Olivares, «significaría que existen campos escalares cosmológicos, y que éstos juegan un papel importante en la formación de estructuras en el Universo. El modo en que crecen los agujeros negros supermasivos es algo que aún no se comprende muy bien, y si resultara que por lo menos algunos son en realidad estrellas de bosones, tendríamos que pensar en mecanismos diferentes de formación que las tengan en cuenta».

Fuente: José Manuel Nieves / ABC,

Artículo de referencia: https://www.abc.es/ciencia/abci-y-si-no-fuera-agujero-negro-sino-estrella-bosones-invisible-202009092329_noticia.html#ancla_comentarios,