Analizan el efecto que tendría la materia oscura en estrellas de neutrones
La búsqueda para descubrir la naturaleza de la materia oscura es uno de los mayores desafíos de la ciencia en la actualidad, pese a los numerosos intentos por detectarla directamente todavía seguimos sin cosechar ni un éxito en este sentido.
Hay varias propuestas a materia oscura, pero de
momento tampoco sabemos de que está hecha esta sustancia misteriosa que
debíamos de haber llamado «materia transparente».
Hasta ahora, los astrofísicos han podido inferir la
existencia de materia oscura en las curvas de rotación de las galaxias, en la
estructura a gran escala del Universo y en las lentes gravitatorias, pero no se
han observado directamente las partículas que supuestamente la componen.
En realidad, la detección de partículas de materia
oscura en experimentos en la Tierra es una tarea muy complicada debido a que
las interacciones entre las partículas de materia oscura y la ordinaria de la
que están compuestos nuestros instrumentos son extremadamente escasas.
Para buscar estas señales necesitamos un detector
muy grande, tal vez tan grande que sea impracticable construir un detector lo
suficientemente grande en la Tierra. Sin embargo, la naturaleza proporciona una
opción alternativa en forma de estrellas de neutrones, pues una estrella de
este tipo podría actuar como el detector de materia oscura.
Las estrellas de neutrones son las estrellas más
densas y se forman cuando las estrellas gigantes mueren en las explosiones de
supernovas. Detrás queda un núcleo en el que la gravedad presiona la materia de
tal modo que los protones y los electrones se combinan para formar neutrones.
Con una masa comparable a la del Sol, estas
estrellas miden solamente del orden de 10 km. Una cucharadita de material de
estrella de neutrones tiene una masa de aproximadamente mil millones de
toneladas.
La materia oscura interactúa muy débilmente con la
materia ordinaria (si es que lo hace) y se deja sentir, sobre todo, por la
fuerza de gravedad. Así, por ejemplo, una de estas partículas de materia oscura
puede pasar a través de un bloque de plomo de un año luz de ancho sin que sea
detenida.
Sin embargo, las estrellas de neutrones son tan
densas que pueden ser capaces de atrapar las partículas de materia oscura que
pasen a su través. Teóricamente, las partículas de materia oscura chocarían con
neutrones en la estrella, perderían energía y se quedarían gravitatoriamente
atrapadas. Con el tiempo, las partículas de materia oscura se acumularían en el
núcleo de la estrella. Se espera que esto produzca un calentamiento extra en
las estrellas de neutrones antiguas y frías a un nivel que pueda estar al
alcance de las observaciones futuras. En casos extremos, la acumulación de materia
oscura puede desencadenar el colapso de la estrella y que se genere un agujero
negro.
Esto significa que las estrellas de neutrones pueden
permitirnos sondear ciertos tipos de materia oscura que serían difíciles o
imposibles de observar en experimentos en la Tierra.
En la Tierra, los experimentos de materia oscura
buscan pequeñas señales de retroceso nuclear causadas por colisiones,
increíblemente raras, de partículas de materia oscura que se muevan lentamente.
En comparación, el fuerte campo gravitatorio de una estrella de neutrones
acelera la materia oscura con velocidades casi relativistas, lo que resulta en
colisiones de energía mucho más altas.
Otro problema para la detección basada detectores en
la Tierra es que los experimentos de retroceso nuclear son más sensibles a las
partículas de materia oscura que tienen una masa similar a los núcleos
atómicos, lo que hace que sea más difícil detectar la materia oscura compuesta
por partículas que pueda ser mucho más ligeras o más pesada.
Sin embargo, las partículas de materia oscura pueden
ser atrapadas en las estrellas y los planetas en cantidades considerables,
independientemente de lo ligeras o pesadas que sean.
Un desafío en el uso de estrellas de neutrones para
este fin es garantizar que los cálculos de los científicos tengan completamente
en cuenta el entorno único de estas estrella. Aunque la captura de materia
oscura en las estrellas de neutrones se había estudiado durante décadas, los
cálculos existentes no habían considerado hasta ahora importantes efectos
físicos.
Es aquí en donde entra el trabajo de Nicole F. Bell
(University of Melbourne) y colaboradores. Este grupo de investigadores se
propuso realizar mejoras clave en el cálculo de la tasa de captura de la
materia oscura. Así, por ejemplo, cómo de rápido se acumule la materia oscura
en las estrellas de neutrones implica cambios considerables en las respuestas.
Según el artículo recientemente publicado por este
grupo, su trabajo explica correctamente la estructura de los núcleos. Así, en
lugar de tratar los neutrones como partículas puntuales que forman un gas libre
de partículas, su trabajo tiene en cuenta los efectos de la fuerza fuerte entre
los nucleones. Además, incluyen efectos relativistas, las estadísticas
cuánticas y el enfoque gravitatorio.
Según los autores, su nuevo trabajo aumenta en gran
medida la precisión y la robustez de las estimaciones para la tasa de captura
de materia oscura. Esto allana el camino para determinar mejor la fuerza de las
interacciones de la materia oscura con materia ordinaria.
En última instancia, las pruebas (o la falta de las
mismas) de la acumulación de materia oscura en las estrellas proporcionaría
pistas valiosas sobre dónde dirigir los esfuerzos experimentales en la Tierra,
ayudando a desbloquear el misterio de la materia oscura.
Fuente: Neofronteras.com
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