Las ondas gravitacionales podrían revelar materia oscura transformando estrellas de neutrones en agujeros negros – Física Mundial

Sello de tiempo: 19 de septiembre de 2023 10:39 a.m.
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Estrella neutrón
Transformación: las estrellas de neutrones podrían acumular materia oscura que las convierta en pequeños agujeros negros. (Cortesía: Laboratorio de imágenes conceptuales del Centro de vuelo espacial Goddard de la NASA)

Un equipo de físicos teóricos de la India ha demostrado que las ondas gravitacionales podrían revelar el papel que podría desempeñar la materia oscura en la transformación de estrellas de neutrones en agujeros negros.

La materia oscura es una sustancia hipotética e invisible que se invoca para explicar el curioso comportamiento de estructuras a gran escala, como las galaxias y los cúmulos de galaxias, comportamiento que no puede explicarse únicamente por la gravedad.

Si existe, la materia oscura debe interactuar con la materia ordinaria a través de la gravedad. Sin embargo, algunos modelos predicen que la materia oscura también podría interactuar con la materia ordinaria a través de interacciones no gravitacionales muy débiles.

Débil pero suficiente

"La interacción no gravitacional significa que se espera que [las partículas de materia oscura] tengan algún tipo de interacción con protones y neutrones". Sulagna Bhattacharya les dijo a Mundo de la física. Bhattacharya es un estudiante de posgrado en el Instituto Tata de Investigación Fundamental en Mumbai, quien agrega: "Estas interacciones pueden ser muy débiles, pero pueden ser suficientes para permitir que las partículas de materia oscura queden capturadas dentro de una estrella de neutrones".

Las estrellas de neutrones son los densos restos centrales de estrellas masivas que han explotado como supernovas. Son muy pequeños, quizás de una docena de kilómetros de diámetro, pero con masas mayores que la del Sol. El núcleo de una estrella de neutrones es tan denso que podría aumentar la probabilidad de interacciones entre la materia normal y la materia oscura.

La masa teórica máxima que puede tener una estrella de neutrones es de 2.5 masas solares, pero en la práctica la mayoría son mucho más pequeñas, en torno a 1.4 masas solares. Las estrellas de neutrones que tienen más de 2.5 masas solares sufrirán un colapso gravitacional para formar agujeros negros.

Cerrando la brecha

Los agujeros negros de masa estelar también pueden formarse directamente a partir de supernovas (explosiones de estrellas grandes), pero los modelos teóricos han sugerido que los agujeros negros no deberían existir entre 2 y 5 masas solares. Hasta hace poco, esto estaba respaldado por evidencia observacional. Sin embargo, a partir de 2015, las observaciones de ondas gravitacionales procedentes de la fusión de pares de agujeros negros revelaron la existencia de agujeros negros dentro de esta brecha de masa.

Por ejemplo, GW 190814 Fue un evento de ondas gravitacionales detectado en 2019 que involucró a un objeto con entre 2.50 y 2.67 masas solares. Otro evento misterioso fue GW 190425, también detectado en 2019, en el que el objeto combinado tenía una masa de 3.4 masas solares. Se trata de una masa total sustancialmente mayor que la de cualquier sistema binario de estrellas de neutrones conocido.

Ahora Bhattacharya, su supervisor Basudeb Dasgupta, además de Ranjan Laha del Instituto Indio de Ciencias y anupam rayo de la Universidad de California, Berkeley, han sugerido que la materia oscura que se acumula dentro del núcleo de una estrella de neutrones aumentaría la densidad del núcleo hasta el punto de colapsar en un agujero negro en miniatura. Este agujero negro crecería y engulliría a la estrella de neutrones. El resultado sería un agujero negro con una masa inferior a la esperada. Y la detección de agujeros negros de baja masa sería una evidencia tentadora de la materia oscura.

“Astrofísicamente exótico”

"Estos objetos compactos serían astrofísicamente exóticos", afirma Bhattacharya, autor principal de un artículo que describe esta hipótesis en Physical Review Letters. Su artículo presenta GW 190814 y GW 190425 como fusiones que podrían haber involucrado agujeros negros formados con la ayuda de materia oscura.

Independientemente de que existan o no los agujeros negros convertidos a partir de estrellas de neutrones, Bhattacharya dice que su búsqueda impondrá "algunas limitaciones importantes a las interacciones de la materia oscura con los nucleones". Como resultado, el creciente número de fusiones observadas podría permitir a los físicos evaluar diferentes modelos de materia oscura.

Otra posibilidad es que los objetos de baja masa observados en GW 190814 y GW 190425 sean agujeros negros primordiales que se formaron inmediatamente después del Big Bang. Sin embargo, algunas teorías sugieren que los agujeros negros primordiales podrían ser un componente de la materia oscura, por lo que el estudio de las fusiones podría proporcionar aún más información sobre la naturaleza de la materia oscura.

De hecho, la principal ventaja de utilizar ondas gravitacionales para buscar evidencia de materia oscura es que es el medio más sensible que tenemos para detectar las débiles interacciones no gravitacionales de la materia oscura con la materia normal.

Esto se debe a que la observación de ondas gravitacionales no está sujeta al “piso de neutrinos”, lo que limita los experimentos que apuntan a detectar directamente la materia oscura. La palabra se refiere al hecho de que los neutrinos son una fuente importante de ruido de fondo en los detectores de materia oscura como, por ejemplo, LUX-ZEPLIN.

"El método que sugerimos permite explorar regiones que están fuera del alcance de estos detectores terrestres debido a la exposición y sensibilidad limitadas de los detectores", afirma Bhattacharya.

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