La materia oscura es una suposición clave en la comprensión actual del universo. Sin embargo, se desconoce la identidad elemental de la materia oscura y su futuro descubrimiento sigue siendo un objetivo principal en los campos de la cosmología y la física de partículas.
Un equipo de físicos teóricos del Instituto Tata de Investigación Fundamental de Mumbai, el Instituto Indio de Ciencias de Bengaluru y la Universidad de California en Berkeley han propuesto un nuevo método para estudiar la materia oscura. El método aprovecha las búsquedas de ondas gravitacionales para buscar materia oscura a través de sus efectos previstos en las estrellas de neutrones.
Sulagna Bhattacharya, estudiante de posgrado en TIFR y autora principal del estudio publicado en Physical Review Letters, explica: las partículas de materia oscura en la galaxia pueden acumularse en estrellas de neutrones debido a sus interacciones no gravitacionales. Las partículas acumuladas forman un núcleo denso, que colapsa en un minúsculo agujero negro en el caso de que la partícula de materia oscura sea pesada y no tenga contrapartida antipartícula; un escenario que ha resultado difícil de probar de otra manera en experimentos de laboratorio.
Para un amplio rango permitido de masa de partículas de materia oscura, el agujero negro semilla inicial consume su estrella de neutrones anfitriona y la transmuta en un agujero negro con masa de estrella de neutrones. Fundamentalmente, las teorías de la evolución estelar predicen que los agujeros negros se forman cuando las estrellas de neutrones superan aproximadamente 2,5 veces la masa del Sol, como está codificado en el límite de Tolman-Oppenheimer-Volkoff, pero aquí la materia oscura conduce a agujeros negros de baja masa que suelen ser más pequeños. que la estrella de neutrones máxima.
Anupam Ray, que codirigió el trabajo, señala que “para parámetros de materia oscura que aún no han sido descartados por ningún otro experimento, los viejos sistemas binarios de estrellas de neutrones en regiones densas de la galaxia deberían haber evolucionado hasta convertirse en sistemas binarios de agujeros negros. Si no vemos ninguna fusión anormalmente baja de masa, esto impondrá nuevas limitaciones a la materia oscura”.
Curiosamente, algunos de los eventos detectados por LIGO, por ejemplo, GW190814 y GW190425, parecen involucrar al menos un objeto compacto de baja masa. Una sugerencia tentadora, basada en el trabajo pionero de Hawking y Zeldovich de la década de 1960, es que los agujeros negros de baja masa podrían tener un origen primordial, es decir, creados por fluctuaciones de densidad extremadamente raras pero grandes en el universo primitivo.
Motivados por estas consideraciones, la colaboración LIGO ha emprendido búsquedas específicas de agujeros negros de baja masa y ha establecido límites. El presente estudio de Bhattacharya y sus colaboradores muestra que la misma no detección de fusiones de baja masa por parte de LIGO también impone restricciones estrictas a las partículas de materia oscura.
Las limitaciones presentadas en este estudio tienen un valor significativo, ya que exploran el espacio de parámetros que está mucho más allá del alcance de los detectores terrestres de materia oscura actuales como XENON1T, PANDA, LUX-ZEPLIN, especialmente para partículas pesadas de materia oscura.
Se espera que las fusiones de agujeros negros de baja masa sean detectables no sólo utilizando detectores de ondas gravitacionales existentes como LIGO, VIRGO y KAGRA, sino también mediante detectores futuros como Advanced LIGO, Cosmic Explorer y el Telescopio Einstein. Al considerar las mejoras planificadas de los experimentos actuales de ondas gravitacionales y tener en cuenta su mayor sensibilidad y tiempo de observación, el estudio pronostica las limitaciones que podrían obtenerse en la próxima década.
En particular, según muestra el estudio, las observaciones de ondas gravitacionales pueden investigar interacciones extremadamente débiles de materia oscura pesada, muy por debajo del llamado “piso de neutrinos”, donde los detectores de materia oscura convencionales tienen que lidiar con los fondos de neutrinos astrofísicos. En cambio, si en el futuro se descubren exóticos agujeros negros de baja masa, podría ser una pista valiosa sobre la naturaleza de la materia oscura.
Los autores firman con optimismo y señalan que “los detectores de ondas gravitacionales, que ya han demostrado ser útiles para la detección directa de agujeros negros y ondas gravitacionales predichas por Einstein, pueden terminar siendo una poderosa herramienta para probar también las teorías de la materia oscura”.
Con información de Physical Review Letters
