Una nueva forma de detectar la materia oscura: las ondas gravitacionales de los agujeros negros podrían mostrarnos su huella
Un equipo internacional de físicos ha encontrado indicios de que las colisiones de agujeros negros podrían revelar la presencia de materia oscura, el ingrediente invisible que domina el universo. El descubrimiento abre una nueva vía para buscar una de las sustancias más misteriosas de la física moderna mediante ondas gravitacionales detectadas en la Tierra.
Por Enrique Coperías, periodista científico
Ilustración de un nuevo modelo desarrollado por físicos del MIT y otras instituciones que muestra cómo las ondas gravitacionales (ondas azules y rojas) generadas por la colisión de dos agujeros negros podrían transportar huellas de materia oscura (morado claro) a su alrededor. Cortesía: MIT News
La materia oscura es quizá el gran fantasma de la física moderna. Sabemos que está ahí, porque las galaxias giran demasiado deprisa y porque la gravedad del universo parece sostenerse sobre una cantidad de masa invisible cinco veces superior a la materia ordinaria.
Pero a pesar de su bundancia nadie ha logrado verla de forma directa. De momento. Ahora, un grupo internacional de físicos propone una nueva vía para rastrear sus huellas: escuchar cómo desafina el canto gravitacional de los agujeros negros cuando colisionan.
El estudio, firmado por investigadores de universidades como la de Oxford, la de Ámsterdam, la Queen Mary y la Católica de Lovaina, así como del MIT y del Real Observatorio de Bélgica, plantea que las ondas gravitacionales registradas por los detectores LIGO, Virgo y KAGRA podrían contener indicios de partículas ultraligeras asociadas a la materia oscura. Y lo más llamativo es que los autores aseguran haber encontrado una señal sugestiva en un evento real detectado en 2019: la fusión de agujeros negros conocida como GW190728.
Qué son las ondas gravitacionales
No se trata todavía de un descubrimiento. Los propios investigadores hablan de evidencia tentativa. Pero el trabajo abre una puerta fascinante: utilizar las ondas gravitacionales no solo para estudiar agujeros negros, sino también para explorar la naturaleza íntima del universo.
Recordemos que las ondas gravitacionales son pequeñas ondulaciones del espacio-tiempo producidas por fenómenos extremadamente violentos del universo, como la colisión de agujeros negros o estrellas de neutrones. Fueron predichas por Albert Einstein en 1916 dentro de su teoría de la relatividad general y se detectaron por primera vez en 2015. Estas ondas viajan a la velocidad de la luz y transportan información sobre los objetos que las generaron, permitiendo a los científicos estudiar eventos cósmicos invisibles para los telescopios tradicionales.
Desde que el observatorio de interferometría láser de ondas gravitatorias LIGO las detectó hace once años, la astronomía vive una revolución silenciosa. Aquella señal procedía de la colisión de dos agujeros negros a más de mil millones de años luz y confirmó una predicción centenaria de Albert Einstein. Desde entonces, los detectores han registrado decenas de fusiones cósmicas. Cada una produce una vibración del espacio-tiempo, un chirrido cósmico que dura apenas segundos pero que contiene una enorme cantidad de información.
Cuál es el papel de los escalares ultraligeros
Hasta ahora, los físicos habían analizado esas señales como si los agujeros negros estuvieran aislados en el vacío. Sin embargo, el nuevo estudio parte de una idea distinta: ¿y si esos objetos estuvieran rodeados por una especie de nube invisible formada por partículas de materia oscura?
Los autores del trabajo, que ha sido publicado en la revista Physical Review Letters, se centran en unas hipotéticas partículas llamadas escalares ultraligeros. Estas son unas candidatas muy populares a materia oscura, porque aparecen de manera natural en algunas extensiones del modelo estándar de partículas. Tendrían una masa minúscula —billones de veces inferior a la de un electrón— y podrían comportarse más como una onda cuántica gigantesca que como partículas individuales.
«La materia oscura podría interactuar únicamente a través de la gravedad, y en ese caso las ondas gravitacionales serían prácticamente el único canal para detectar su naturaleza», explican los autores en el estudio. Una idea que resume bien el espíritu del trabajo: usar la gravedad como herramienta para investigar algo que permanece completamente oculto a la luz.
Cómo pueden los agujeros negros ayudar a detectar materia oscura
La clave del nuevo trabajo está en un fenómeno conocido como superradiancia. En determinadas circunstancias, un agujero negro en rotación puede actuar como una especie de amplificador cósmico y extraer energía de su propio giro para alimentar una nube de estas partículas ultraligeras. El resultado sería una estructura extremadamente densa alrededor del agujero negro.
Los investigadores recuerdan que estas nubes podrían alcanzar densidades descomunales, muy superiores a las de la materia oscura habitual en las galaxias. Si dos agujeros negros rodeados por estas estructuras acaban orbitando entre sí, la nube no sería un mero decorado: alteraría ligeramente la dinámica de la colisión.
➡️ «Durante años se pensó que las binarias de agujeros negros destruirían estas estructuras de materia oscura antes de fusionarse —señalan los investigadores—. Pero las simulaciones recientes muestran que una fracción significativa puede sobrevivir hasta las fases finales de la espiral».
Y ahí es donde entran en escena las ondas gravitacionales.
Simulación de la colisión de dos agujeros negros y de las ondas gravitacionales generadas durante la fusión. Los científicos creen que estas vibraciones del espacio-tiempo podrían contener huellas de materia oscura invisible alrededor de los agujeros negros. Cortesía: NASA/Ames Research Center/C. Henze
Dos agujeros negros roedados por una densa nube
Cuando dos agujeros negros se mueven en espiral uno hacia el otro, la frecuencia de la señal aumenta progresivamente, como el sonido de la sirena de una ambulancia que acelera. Ese patrón, conocido como chirp, puede calcularse con enorme precisión mediante la relatividad general. Pero si alrededor existe una nube de materia oscura, el sistema intercambiaría energía y momento angular con ella. El resultado sería una pequeñísima modificación del ritmo de la señal.
Detectar ese efecto es extremadamente difícil. Las diferencias son minúsculas y exigen modelos matemáticos muy sofisticados. Para abordarlo, el equipo desarrolló un nuevo modelo semianalítico capaz de simular cómo cambiarían las ondas gravitacionales en presencia de un entorno de materia oscura escalar. Después validaron el modelo mediante simulaciones numéricas completas de agujeros negros inmersos en estos campos invisibles.
En una de esas simulaciones, incluida en el artículo, puede verse cómo una nube densa se forma alrededor de un sistema binario de agujeros negros de unas sesenta masas solares. La estructura aparece en apenas unas órbitas y modifica claramente la evolución temporal de la señal gravitacional.
➡️ «Lo importante es que el modelo reproduce el chirrido gravitacional observado en las simulaciones numéricas completas, mientras que el modelo estándar en vacío no consigue hacerlo», sostienen los investigadores.
Después llegó la prueba decisiva: aplicar el modelo a datos reales.
Qué descubrieron los investigadores
Los científicos analizaron 28 señales de colisiones de agujeros negros registradas por los detectores LIGO, Virgo y KAGRA, centrándose en los casos en los que podían reconstruir con precisión cómo ambos objetos giraban uno alrededor del otro antes de fusionarse. En casi todas las señales, el comportamiento observado coincidía con el esperado para agujeros negros aislados en el vacío. Sin embargo, dos eventos llamaron especialmente la atención de los investigadores: el GW190814 y, sobre todo, el GW190728.
En este último caso, el modelo con materia oscura ofrecía un mejor ajuste que el modelo estándar sin entorno. Según el análisis bayesiano realizado por el equipo, la señal favorece moderadamente la hipótesis de una nube escalar alrededor de los agujeros negros.
🗣️ Josu Aurrekoetxea, investigador posdoctoral delMITy uno de los autores principales, resume así la lógica del trabajo en un comunicado de esta universidad estadouniense: «Sabemos que la materia oscura está a nuestro alrededor. Solo tiene que ser lo bastante densa para que podamos observar sus efectos. Los agujeros negros proporcionan un mecanismo capaz de aumentar esa densidad, y ahora podemos buscarla analizando las ondas gravitacionales emitidas cuando se fusionan».
Tras el rastro de una nueva partícula de masa «insignificante»
Si la interpretación es correcta, el resultado apuntaría a la existencia de una nueva partícula con una masa del orden de 10⁻¹² electronvoltios. Es una cifra tan diminuta que resulta casi imposible de imaginar: un electrón es aproximadamente un billón de billones de veces más pesado.
Pero los propios autores insisten en la cautela. En física de partículas y cosmología, una pista estadística no equivale a una confirmación. El indicio podría desaparecer con nuevos datos o deberse a otros efectos astrofísicos aún no comprendidos.
«La significación estadística aún no es lo bastante alta como para afirmar que hemos detectado materia oscura —advierte Aurrekoetxea—. Otros grupos independientes tendrán que realizar comprobaciones adicionales».
El físico añade, sin embargo, una advertencia importante: «Sin modelos de formas de onda como el nuestro, podríamos estar detectando fusiones de agujeros negros en entornos de materia oscura y clasificándolas sistemáticamente como si hubieran ocurrido en el vacío».
Limitaciones y cautelas del estudio
De hecho, el estudio dedica buena parte de su discusión a examinar posibles explicaciones alternativas. Los investigadores señalan que no encontraron evidencias claras de excentricidad orbital ni de otras anomalías que pudieran imitar la señal observada. También destacan que el evento seguía siendo compatible con relatividad general estándar en otros análisis independientes realizados por LIGO y Virgo.
Aun así, el trabajo se mueve en un terreno extremadamente delicado. El modelo utilizado por los investigadores todavía tiene limitaciones importantes. Por ejemplo, algunas de sus ecuaciones describen la gravedad de forma simplificada y pueden volverse menos precisas en los instantes finales de la colisión, cuando los agujeros negros se mueven a velocidades extremas y los efectos relativistas son mucho más intensos.
Los autores reconocen abiertamente esas limitaciones y subrayan que harán falta simulaciones mucho más largas y observaciones futuras para comprobar si el efecto es real.
Arriba, simulación numérica de dos agujeros negros de unas 60 masas solares rodeados por una densa nube de partículas asociadas a materia oscura. Abajo, comparación entre la señal gravitacional observada en la simulación y la predicción del nuevo modelo desarrollado por los investigadores, que reproduce mejor las alteraciones provocadas por ese entorno invisible. Cortesía: Rodrigo Vicente et al
La conexión entre materia oscura y agujeros negros
La propuesta, sin embargo, resulta especialmente sugerente porque conecta dos de las grandes fronteras de la física contemporánea: los agujeros negros y la materia oscura.
Durante décadas, la búsqueda de materia oscura se ha centrado en detectores subterráneos, aceleradores de partículas o estudios cosmológicos. Pero hasta ahora todos esos intentos han fracasado. Ningún experimento ha logrado identificar de forma inequívoca la partícula responsable.
Las ondas gravitacionales ofrecen una estrategia completamente distinta. En lugar de intentar capturar directamente la materia oscura, los físicos observan cómo modifica el comportamiento de objetos extremos. Es una especie de arqueología gravitacional: deducir la existencia de algo invisible a partir de las pequeñas perturbaciones que deja en fenómenos cósmicos violentos.
Abierta la puerta a futuros descubrimientos
Además, la técnica podría mejorar enormemente en los próximos años. Los detectores actuales apenas están comenzando a explorar este territorio. Las futuras instalaciones, como elEinstein Telescope europeo o el Cosmic Explorer estadounidense, tendrán una sensibilidad muy superior y podrán registrar señales mucho más limpias y lejanas.
Eso permitiría estudiar con mucha más precisión las fases iniciales de las fusiones, precisamente donde los efectos de una nube de materia oscura serían más visibles.
🗣️ «Ahora tenemos la posibilidad de descubrir materia oscura alrededor de agujeros negros a medida que los detectores de LIGO, Virgo y KAGRA sigan acumulando datos en los próximos años», afirma Soumen Roy, responsable del análisis de datos del trabajo, en el comunicado del MIT. Y añade—: Es un momento apasionante para buscar nueva física utilizando ondas gravitacionales».
También está en camino LISA, la futura antena espacial europea de ondas gravitacionales, que observará colisiones de agujeros negros gigantescos en frecuencias imposibles de detectar desde la Tierra. Muchos físicos creen que esos sistemas podrían ser laboratorios ideales para buscar partículas ultraligeras.
La nueva frontera de la astronomía gravitacional
«Utilizar agujeros negros para buscar materia oscura sería fantástico», añade Rodrigo Vicente, investigador de la Universidad de Ámsterdam y autor del modelo analítico empleado en el estudio. Y concluye—: Nos permitiría explorar la materia oscura a escalas mucho más pequeñas que nunca».
La idea de que los agujeros negros puedan actuar como detectores naturales de nuevas partículas habría parecido ciencia ficción hace apenas dos décadas. Hoy empieza a convertirse en un programa científico real.
El estudio no resuelve el misterio de la materia oscura. Ni siquiera demuestra que la señal encontrada sea auténtica. Pero sí plantea algo importante: las ondas gravitacionales podrían contener mucha más información de la que imaginábamos.
Hasta ahora escuchábamos el eco de colisiones cósmicas. Tal vez, escondido dentro de ese murmullo del espacio-tiempo, esté también el primer susurro de la materia oscura.▪️(13-mayo-2026)
PREGUNTAS&RESPUESTAS: Materia Oscura y Ondas Gravitacionales
🌌 ¿Qué es la materia oscura?
Es una forma invisible de materia que no emite luz ni interactúa con el electromagnetismo. Solo se detecta por sus efectos gravitatorios.
🌌 ¿Qué son las ondas gravitacionales?
Son ondulaciones del espacio-tiempo producidas por eventos cósmicos extremadamente energéticos, como la colisión de agujeros negros.
🌌 ¿Han descubierto materia oscura?
No. El estudio solo presenta indicios tentativos compatibles con la presencia de materia oscura.
🌌 ¿Qué significa GW190728?
Es el nombre de una señal gravitacional detectada el 28 de julio de 2019.
🌌 ¿Por qué este estudio es importante?
Porque propone una nueva forma de buscar materia oscura utilizando observaciones de ondas gravitacionales.
Información facilitada por MIT News
Fuente: Soumen Roy, Rodrigo Vicente, Josu C. Aurrekoetxea, Katy Clough and Pedro G. Ferreira. Scalar Fields around Black Hole Binaries in LIGO-Virgo-KAGRA. Physical Review Letters (2026). DOI: https://doi.org/10.1103/fv9z-zkxx
