La materia oscura es uno de los mayores misterios de la física moderna. Se cree que constituye la mayor parte de la materia del universo, pero aún se desconocen su naturaleza y propiedades. Los científicos están intentando detectar partículas de materia oscura mediante varios experimentos realizados en la Tierra, pero hasta ahora ninguno ha tenido éxito.
Ahora, un equipo de investigadores de India y Estados Unidos ha propuesto una nueva idea para buscar materia oscura utilizando ondas gravitacionales, que son ondas en el espacio-tiempo causadas por eventos cósmicos turbulentos. En un comunicado de prensa, los investigadores sugieren que las partículas de materia oscura pueden acumularse dentro de las estrellas de neutrones, que son restos extremadamente densos de estrellas que explotaron, y hacer que colapsen en agujeros negros. Este proceso producirá ondas gravitacionales que podrán ser detectadas por observatorios como LIGO, VIRGO y KAGRA.
La investigación fue dirigida por Sulagna Bhattacharya, estudiante de doctorado en el Instituto Tata de Investigación Fundamental ( TIFR ) en Mumbai. Explicó que las partículas de materia oscura pueden interactuar con la materia ordinaria a través de fuerzas distintas a la gravedad y eventualmente quedar atrapadas dentro de estrellas de neutrones. Si una partícula de materia oscura es lo suficientemente pesada y no tiene antipartícula, puede formar un núcleo denso dentro de una estrella de neutrones que colapsa en un pequeño agujero negro. Luego, el agujero negro absorberá la estrella de neutrones desde el interior y la convertirá en un agujero negro de masa similar.
Este escenario crearía agujeros negros de baja masa, menos que la masa máxima posible de una estrella de neutrones, que, según las teorías actuales de evolución estelar, es aproximadamente 2,5 veces la masa del Sol. Anupam Ray, quien codirigió el trabajo, dijo que “bajo parámetros de materia oscura que aún no han sido descartados por ningún otro experimento, las viejas estrellas binarias de neutrones en regiones densas de la galaxia deberían evolucionar hacia binarias de agujeros negros. A menos que no veamos ninguna fusiones anormalmente bajas, esto impone nuevas limitaciones a la materia oscura”.
Curiosamente, algunas de las ondas gravitacionales detectadas por LIGO, como GW190814 y GW190425, parecen estar asociadas con al menos un objeto compacto de baja masa. Una posibilidad es que estos objetos sean agujeros negros primordiales, es decir, antiguos agujeros negros que se formaron como resultado de fluctuaciones de densidad en el universo primitivo, como sugirieron Stephen Hawking y Yakov Zeldovich en los años 1960.
La coalición LIGO se dedica a la búsqueda de estos objetos exóticos y ha fijado ciertos límites a su número. Un nuevo estudio de Bhattacharya y sus colegas muestra que el mismo fracaso en detectar fusiones de objetos de baja masa con LIGO también impone un límite estricto en el número de partículas de materia oscura. El estudio explora el rango de masas de las partículas de materia oscura más allá del alcance de los experimentos terrestres actuales como XENON1T, PANDA, LUX-ZEPLIN, especialmente para partículas pesadas de materia oscura.
Los investigadores también predicen que futuros detectores de ondas gravitacionales como Advanced LIGO, Cosmic Explorer y el Telescopio Einstein podrán sondear interacciones aún más débiles de materia oscura pesada, muy por debajo del llamado “piso de neutrinos”, donde los detectores de materia oscura convencionales encuentran el fondo. ruido del neutrino astrofísico Por otro lado, si en el futuro se descubren agujeros negros de baja masa, podrían proporcionar pistas valiosas sobre la naturaleza de la materia oscura.
Esta investigación abre una nueva frontera en la búsqueda de descifrar la materia oscura, destacando el potencial de las ondas gravitacionales no solo como una curiosidad científica, sino como una poderosa herramienta para descubrimientos fundamentales en el campo de la física en su conjunto.
Terminando con una nota alentadora, los autores señalan: “Los detectores de ondas gravitacionales, que ya han desempeñado un papel importante en la confirmación de la existencia de agujeros negros y las ondas gravitacionales predichas por Einstein, tienen el potencial de convertirse en una herramienta confiable para investigar las teorías de la materia oscura”.
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