Un nuevo estudio realizado por investigadores de la Universidad de Ámsterdam muestra cómo las ondas gravitacionales de los agujeros negros pueden utilizarse para revelar la presencia de materia oscura y ayudar a determinar sus propiedades. La clave reside en un nuevo modelo, basado en la teoría de la relatividad general de Einstein, que rastrea en detalle cómo un agujero negro interactúa con la materia circundante.
Los investigadores Rodrigo Vicente, Theophanes K. Karydas y Gianfranco Bertone, del Instituto de Física de la UvA (IoP) y del centro de excelencia GRAPPA para la Gravitación y la Física de Astropartículas de Ámsterdam, han publicado sus resultados en la revista Physical Review Letters. En su artículo, presentan una forma mejorada de modelar cómo la materia oscura alrededor de los agujeros negros afecta a las ondas gravitacionales que emiten estos sistemas.
Espirales de razón de masa extrema
El trabajo se centra en las llamadas espirales de razón de masa extrema, o EMRI (por sus siglas en inglés): sistemas en los que un objeto relativamente pequeño y compacto —por ejemplo, un agujero negro formado tras el colapso de una sola estrella— orbita y gira lentamente en espiral hacia un agujero negro mucho más masivo, que suele encontrarse en el centro de una galaxia. A medida que gira hacia el interior, el objeto más pequeño emite una larga señal de onda gravitacional.
Se espera que futuras misiones espaciales, como la antena espacial LISA de la Agencia Espacial Europea, cuyo lanzamiento está previsto para 2035, registren estas señales durante meses o incluso años, rastreando de cientos de miles a millones de ciclos orbitales. Si se modelan con precisión, estas «huellas cósmicas» pueden revelar cómo se distribuye la materia —especialmente la misteriosa materia oscura, que se cree que constituye la mayor parte de la materia del universo— en el entorno inmediato de los agujeros negros masivos.
Un punto de vista relativista
Antes de que misiones como LISA comiencen a recopilar datos, es crucial predecir con detalle qué tipos de señales deberíamos esperar y cómo extraer la mayor cantidad de información posible de ellas. Hasta ahora, la mayoría de los estudios se han basado en descripciones simplificadas de cómo el entorno afecta a los EMRI.
El nuevo artículo de los físicos de IoP/GRAPPA cierra esta brecha para una amplia gama de entornos. Proporciona el primer marco completamente relativista —es decir, utiliza la teoría de la gravedad de Einstein en su totalidad, en lugar de aproximaciones más simples basadas en la gravedad newtoniana— para describir cómo el entorno de un agujero negro masivo modifica la órbita de un EMRI y las ondas gravitacionales resultantes.
El estudio se centra en particular en las densas concentraciones de materia oscura —a menudo llamadas «picos» o «montículos»— que pueden formarse alrededor de agujeros negros masivos. Al integrar su nueva descripción relativista en modelos de forma de onda de vanguardia, los autores muestran cómo estas estructuras dejarían una huella medible en las señales registradas por futuros detectores. Este trabajo representa un paso fundamental en un programa a largo plazo que busca utilizar ondas gravitacionales para mapear la distribución de la materia oscura en el universo y esclarecer su naturaleza fundamental.
Con información de Physical Review Letters
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