Astrofísicos establecen restricciones en la materia oscura compacta a partir de microlentes de ondas gravitacionales


La existencia de la materia oscura sigue siendo uno de los mayores misterios del universo. Si bien los estudios han insinuado indirectamente su existencia, su naturaleza invisible hace que esta escurridiza sustancia sea muy difícil de detectar, por lo que su composición sigue siendo desconocida.

La materia oscura podría estar formada por partículas fundamentales y exóticas que aún no se han descubierto. Alternativamente, podría consistir en muchos objetos masivos y compactos, como los agujeros negros primordiales (es decir, los agujeros negros formados en el universo primitivo).

Crédito: Roshni Samuel / Parameswaran Ajith / ICTS.

En las últimas décadas, muchos equipos de científicos de todo el mundo han estado buscando materia oscura utilizando multitud de técnicas, telescopios, detectores y datos de observación. Si bien la mayoría de estas búsquedas no tuvieron éxito, ayudaron a guiar y acotar las búsquedas posteriores.

Investigadores del Centro Internacional de Estudios Teóricos del Instituto Tata de Investigación Fundamental en Bangalore, India, han establecido recientemente nuevas restricciones en la fracción de materia oscura compacta de la microlente de ondas gravitacionales. Su artículo, publicado en The Astrophysical Journal Letters, presenta una nueva forma de investigar la naturaleza de la materia oscura mediante la búsqueda de efectos de microlente en las ondas gravitacionales.

«Según la teoría de la relatividad general de Einstein, los objetos masivos desvían la luz como lo hacen las lentes ópticas normales», dijo a Phys.org Parameswaran Ajith, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio. «Los objetos masivos, como los agujeros negros que se encuentran entre la fuente astronómica y el observador, pueden magnificar la fuente. Este fenómeno, llamado microlente gravitacional, se ha convertido en una poderosa herramienta para los astrónomos».

A pesar de los extensos esfuerzos de investigación en el campo, los astrónomos hasta ahora no han podido observar los efectos de microlente producidos por los agujeros negros. Esto sugiere que los agujeros negros que son mucho más ligeros que el sol, que producirían la microlente de la luz, son raros.

«Incluso si estos agujeros negros existen, es probable que constituyan solo una fracción muy pequeña de la materia oscura», dijo Ajith. «La teoría predice que las ondas gravitacionales también se reflejarán de la misma manera. Si los agujeros negros primordiales que son mucho más masivos que el sol abundan en el universo, distorsionarán las ondas gravitacionales».

En 2003, algunos físicos teóricos calcularon con precisión la naturaleza de las distorsiones de las ondas gravitacionales. Casi dos décadas después, Sunghoon Jung y Chang Sub Shin, dos científicos de la Universidad Nacional de Seúl y el Centro IBS de Física Teórica del Universo sugirieron que la no observación de estas distorsiones por parte de las colaboraciones LIGO y Virgo podría ayudar a limitar la abundancia de agujeros negros que son significativamente más masivos que el sol.

El artículo reciente de Ajith y sus colegas se inspira en estos trabajos anteriores. El trabajo del equipo se basa en la suposición de que si una fracción significativa de la materia oscura estuviera realmente compuesta por objetos compactos, estos objetos causarían efectos de microlente en las señales de ondas gravitacionales detectadas periódicamente por los detectores LIGO y Virgo.

Límites superiores de la fracción de materia oscura en forma de objetos compactos obtenidos por este estudio. La masa del agujero negro se muestra en el eje horizontal. Tres regiones de exclusión diferentes corresponden a tres modelos asumidos de la distribución de agujeros negros binarios en el universo. Las líneas discontinuas muestran algunas de las limitaciones existentes de la microlente de las supernovas (SN) y de la estabilidad de las binarias anchas (WB). Crédito: The Astrophysical Journal Letters (2022). DOI: 10.3847/2041-8213/ac4dfa

«En 2018, en colaboración con colegas de la Colaboración LIGO-Virgo, buscamos firmas de tales distorsiones en las señales de ondas gravitacionales observadas por LIGO y Virgo y no encontramos ninguna», dijo Ajith. «Sin embargo, dado que LIGO y Virgo habían observado solo 10 señales de ondas gravitacionales para entonces, nuestra expectativa previa de encontrar tales distorsiones era baja».

Recientemente, LIGO-Virgo Collaboration anunció resultados nulos similares de su tercera ejecución de observación. «Además, Ajith y sus colegas analizaron de forma independiente las ondas gravitacionales que un grupo del Instituto de Estudios Avanzados (IAS) en Princeton había descubierto dentro de los datos de LIGO-Virgo. En general, analizaron más de 50 eventos de ondas gravitacionales.

Si bien los investigadores no pudieron observar distorsiones de microlente en ninguna de las señales que analizaron, sus análisis les permitieron establecer restricciones adicionales en la materia oscura compacta. En otras palabras, restringieron la fracción de materia oscura que consiste en agujeros negros masivos.

«Las restricciones que obtuvimos hasta ahora son bastante modestas», dijo Ajith. «Todo lo que podemos decir es que no más del 50% de la materia oscura está en forma de agujeros negros masivos, lo cual no es información nueva. Sin embargo, en los próximos años, se espera que LIGO y Virgo observen cientos o miles de señales de ondas gravitacionales. Estas observaciones nos permitirán mejorar estas restricciones significativamente».

En el futuro, Ajith y sus colegas planean analizar todos los nuevos eventos de ondas gravitacionales registrados por los detectores LIGO-Virgo. Además, esperan que su trabajo reciente anime a otros equipos a usar la microlente de ondas gravitacionales para investigar la naturaleza de la materia oscura.

«Como parte de la Colaboración LIGO-Virgo, estamos analizando todas las señales de ondas gravitacionales detectadas por LIGO y Virgo durante sus últimas tres carreras de observación (un total de cerca de 100 eventos)», agregó Ajith. «Esto mejorará un poco la restricción. Sin embargo, esperamos analizar los datos de la próxima serie de observación, donde se espera que LIGO y Virgo observen cientos de señales de ondas gravitacionales».

Deja una respuesta

Introduce tus datos o haz clic en un icono para iniciar sesión:

Logo de WordPress.com

Estás comentando usando tu cuenta de WordPress.com. Salir /  Cambiar )

Imagen de Twitter

Estás comentando usando tu cuenta de Twitter. Salir /  Cambiar )

Foto de Facebook

Estás comentando usando tu cuenta de Facebook. Salir /  Cambiar )

Conectando a %s

Este sitio usa Akismet para reducir el spam. Aprende cómo se procesan los datos de tus comentarios.