Ett internationellt team av forskare ledda av det galiciska institutet för högenergifysik (IGFAE) och universitetet i Aveiro visar att den tyngsta kollision med svarta hål som någonsin observerats, producerad av gravitationsvågen GW190521, kan faktiskt vara något ännu mer mystiskt:sammanslagning av två bosonstjärnor. Detta skulle vara det första beviset på existensen av dessa hypotetiska objekt, som är en kandidat för mörk materia, tros utgöra 27% av massan i universum.

Gravitationsvågor är krusningar i rymdtidens struktur som färdas med ljusets hastighet. Dessa har sitt ursprung i de mest våldsamma händelserna i universum, bär information om sina källor. Sedan 2015, de två LIGO-detektorerna i USA och Virgo-detektorn i Cascina, Italien, har upptäckt och tolkat gravitationsvågor. Hittills, dessa detektorer har redan observerat cirka 50 gravitationsvågsignaler. Alla dessa har sitt ursprung i kollisioner och sammanslagningar av svarta hål och neutronstjärnor, gör det möjligt för fysiker att fördjupa kunskapen om dessa föremål.

Dock, löftet om gravitationsvågor går mycket längre än så här, eftersom dessa så småningom borde ge oss bevis för tidigare oobserverade och till och med oväntade föremål, och kasta ljus över nuvarande mysterier som mörk materias natur. Den senare kan, dock, har redan hänt.

I september 2020, LIGO och Jungfrusamarbetet (LVC) tillkännagav för världen gravitationsvågssignalen GW190521. Enligt deras analys, signalen överensstämde med kollisionen av två tunga svarta hål, av 85 och 66 gånger solens massa, som producerade ett sista svart hål med 142 solmassor. Det resulterande svarta hålet var det första av ett nytt, tidigare oobserverade svarta hålsfamiljen:svarta hål med medelmassa. Denna upptäckt är av största vikt, eftersom sådana svarta hål var den felande länken mellan två välkända svarta hålsfamiljer:svarta hål med stjärnmassa som bildas av stjärnornas kollaps, och supermassiva svarta hål som finns i mitten av nästan varje galax, inklusive Vintergatan.

Dessutom, denna observation kom med en enorm utmaning. Om det vi tror att vi vet om hur stjärnor lever och dör är korrekt, det tyngsta av de kolliderande svarta hålen (85 solmassor) kunde inte bildas från kollapsen av en stjärna i slutet av sin livstid, vilket öppnar upp för en rad tvivel och möjligheter om dess ursprung.

I en artikel som publicerades idag i Fysiska granskningsbrev , ett team av forskare under ledning av Dr. Juan Calderón Bustillo vid Galician Institute of High Energy Physics (IGFAE), gemensamt centrum för universitetet i Santiago de Compostela och Xunta de Galicia, och Dr Nicolás Sanchis-Gual, en postdoktor vid universitetet i Aveiro och Instituto Superior Técnico (Univ. Lisboa), tillsammans med medarbetare från Valencias universitet, Monash University och The Chinese University of Hong Kong, har föreslagit en alternativ förklaring till ursprunget till signalen GW190521:kollisionen av två exotiska objekt kända som bosonstjärnor, som är en av de mest troliga kandidaterna för att förklara mörk materia. I sin analys, laget kunde uppskatta massan av en ny partikelbeståndsdel av dessa stjärnor, en ultralätt boson med en massa miljarder gånger mindre än elektroner.

Teamet jämförde GW190521-signalen med datorsimuleringar av sammanslagningar av bosonstjärnor, och fann att dessa faktiskt förklarar data något bättre än analysen utförd av LIGO och Jungfrun. Resultatet innebär att källan skulle ha andra egenskaper än vad som tidigare angivits. Dr Calderón Bustillo säger, "Först, vi skulle inte prata om att kollidera med svarta hål längre, vilket eliminerar frågan om att hantera ett "förbjudet" svart hål. Andra, eftersom sammanslagningar av bosonstjärnor är mycket svagare, vi drar slutsatsen ett mycket närmare avstånd än det som uppskattas av LIGO och Jungfrun. Detta leder till en mycket större massa för det sista svarta hålet, av cirka 250 solmassor, så det faktum att vi har sett bildandet av ett svart hål med mellanmassa förblir sant."

Dr Nicolás Sanchis-Gual säger, "Bosonstjärnor är föremål nästan lika kompakta som svarta hål men, till skillnad från dem, inte har en "no-retur"-yta. När de kolliderar, de bildar en bosonstjärna som kan bli instabil, så småningom kollapsar till ett svart hål, och producera en signal som överensstämmer med vad LIGO och Jungfrun observerade. Till skillnad från vanliga stjärnor, som är gjorda av vad vi vanligtvis känner som materia, bosonstjärnor består av vad vi känner som ultralätta bosoner. Dessa bosoner är en av de mest tilltalande kandidaterna för att konstituera vad vi känner som mörk materia."

Teamet fann att även om analysen tenderar att gynna hypotesen om sammanslagna svarta hål, en sammanslagning av bosonstjärnor föredras faktiskt av data, om än på ett icke avgörande sätt. Prof. Jose A. Font från University of Valencia säger, "Våra resultat visar att de två scenarierna är nästan omöjliga att särskilja med tanke på data, även om den exotiska bosonstjärnhypotesen är något att föredra. Det här är väldigt spännande, eftersom vår bosonstjärna modell är, från och med nu, väldigt begränsad, och föremål för stora förbättringar. En mer utvecklad modell kan leda till ännu större bevis för detta scenario och skulle också tillåta oss att studera tidigare gravitationsvågobservationer under antagandet om boson-stjärna sammanslagning."

Detta resultat skulle inte bara involvera den första observationen av bosonstjärnor, men också deras byggsten, en ny partikel känd som en ultralätt boson. Prof. Carlos Herdeiro från University of Aveiro säger, "Ett av de mest fascinerande resultaten är att vi faktiskt kan mäta massan av denna förmodade nya mörka materia partikel, och att ett värde på noll kasseras med hög säkerhet. Om det bekräftas av efterföljande analys av denna och andra gravitationsvågobservationer, vårt resultat skulle ge det första observationsbeviset för en långsökt kandidat för mörk materia."