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| Microlente de ondas gravitacionales. Fuente: Roshni Samuel / Parameswaran Ajith / ICTS |
Uno de los mayores enigmas de la cosmología moderna es la existencia de materia oscura, que constituye la mayor parte de la materia del universo.
Investigaciones recientes realizadas por un equipo internacional de científicos han utilizado ondas gravitacionales para investigar la naturaleza de la materia oscura . Este estudio fue publicado recientemente en Astrophysical Journal Letters .
Materia oscura
Varias observaciones astronómicas han establecido la existencia de materia oscura, que interactúa con la materia convencional solo a través de la gravedad. La materia oscura no emite luz y por lo tanto evade una observación astronómica directa . Las galaxias, incluida nuestra propia Vía Láctea , están rodeadas por un halo de materia oscura, cuyo tamaño se extiende mucho más allá de la galaxia visible.
El Modelo Estándar de Física de Partículas describe todas las partículas elementales que constituyen toda la materia normal. Las partículas que no están descritas por el Modelo Estándar podrían existir en el universo y podrían constituir materia oscura. Varios grandes experimentos han estado tratando de detectar partículas tan escurridizas durante las últimas décadas, sin éxito.
Otra posibilidad es que la materia oscura comprenda una gran cantidad de objetos masivos y compactos, como los agujeros negros primordiales. Dichos agujeros negros son diferentes de los agujeros negros que suelen observar los astrónomos, que son producidos por la muerte de estrellas masivas. Los agujeros negros primordiales se forman en el universo primitivo y podrían existir en una variedad de masas. Podrían ser tan ligeros como los asteroides o podrían pesar billones de masas solares.
Sin embargo, los astrónomos no han realizado una detección concluyente de los agujeros negros primordiales. Además, varias observaciones astronómicas han limitado la abundancia de agujeros negros primordiales. Por ejemplo, tales agujeros negros podrían desviar la luz de estrellas distantes; un fenómeno llamado microlente gravitacional .
Hasta ahora, los científicos no han tenido éxito en la observación de las microlentes producidas por tales agujeros negros, a pesar de haber buscado extensamente. Esto significa que los agujeros negros que son mucho más ligeros que el Sol, que habrían causado la microlente de la luz de las estrellas, son raros. Incluso si existieran, constituirían solo una fracción muy pequeña de la materia oscura. Sin embargo, es muy posible que los agujeros negros de otras masas puedan estar contribuyendo a la materia oscura.
Microlente de ondas gravitacionales para sondear la materia oscura
Las recientes observaciones de ondas gravitacionales han proporcionado a los astrónomos una nueva forma de observar el universo. Las ondas gravitacionales son ondas en el espacio-tiempo que viajan a la velocidad de la luz. Los observatorios LIGO y Virgo, ubicados en Estados Unidos e Italia, han observado un centenar de señales de ondas gravitacionales en los últimos años.
De acuerdo con la teoría de Einstein , las ondas gravitacionales también son desviadas por objetos masivos entre la fuente y el observador. Si una fracción significativa de la materia oscura está en forma de agujeros negros, deberían causar efectos de microlente en las señales observadas. La microlente distorsionará las ondas gravitacionales de una manera que los científicos puedan calcular con exactitud. Sin embargo, el equipo internacional no pudo observar tal distorsión en las señales observadas por LIGO y Virgo.
El presente trabajo utiliza la no observación de tales efectos de lentes en las señales de ondas gravitacionales para evaluar qué fracción de la materia oscura podría estar en forma de agujeros negros. Los agujeros negros que provocan la microlente de las ondas gravitacionales son mucho más masivos que los que provocan la microlente de la luz. Los científicos concluyen que solo menos de la mitad de la materia oscura podría estar en forma de agujeros negros dentro del rango de masa de 100 a 100.000 masas solares. Este es un límite superior; la fracción real puede ser mucho más pequeña.
Observaciones futuras
Las limitaciones actuales de las observaciones de lentes de ondas gravitacionales no son tan estrictas en comparación con las obtenidas de otras mediciones astronómicas. Otras observaciones, como el fondo cósmico de microondas , nos dicen que esos agujeros negros primordiales masivos podrían contribuir solo con una fracción mucho más pequeña de la materia oscura.
Sin embargo, hay dos razones para que los científicos se entusiasmen con este método. Primero, cada observación viene con sus propios errores; es importante que los científicos lleguen a las mismas conclusiones utilizando diferentes observaciones y experimentos. En segundo lugar, las observaciones de ondas gravitacionales podrán proporcionar restricciones mucho mejores en un futuro próximo.
En los próximos años, LIGO y Virgo, junto con los próximos detectores como KAGRA y LIGO-India, observarán miles de señales de ondas gravitacionales. Si los científicos no observan ninguna señal de microlente en estas señales de ondas gravitacionales, podrán concluir que solo una fracción muy pequeña de la materia oscura podría estar en forma de agujeros negros tan pesados.
Por otro lado, si una buena fracción de las señales de ondas gravitacionales contiene firmas de lentes, esto sería una evidencia irrefutable de los muy buscados agujeros negros primordiales. De cualquier manera, la microlente de las ondas gravitacionales ofrece una forma única de sondear la naturaleza de la materia oscura.
Fuente: “Constraints on Compact Dark Matter from Gravitational Wave Microlensing” by S. Basak, A. Ganguly, K. Haris, S. Kapadia, A. K. Mehta and P. Ajith, 21 February 2022, Astrophysical Journal Letters. DOI: 10.3847/2041-8213/ac4dfa
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