Un equipo de físicos de partículas de la Universidad de Melbourne, la Universidad Nacional de Australia, el King's College de Londres y el Laboratorio Nacional del Acelerador Fermi ha calculado que la energía transferida cuando las partículas de materia oscura chocan y se aniquilan en el interior de estrellas de neutrones frías puede calentar las estrellas muy rápidamente. Esta transferencia de energía lleva mucho tiempo, a veces más que la edad del universo, lo que hace que este calor sea irrelevante como se pensaba anteriormente.
Un trabajo más reciente sobre la captura de materia en estrellas de neutrones ha sido un estudio sensible de las interacciones de la materia oscura con la materia ordinaria.
Puede utilizarse para probar la interacción de la materia oscura de una manera muy complementaria a los experimentos en la Tierra, especialmente porque la materia oscura se acelera a velocidades relativistas durante la penetración de una estrella de neutrones.
En algunos casos, las técnicas de estrellas de neutrones pueden investigar interacciones que son difíciles o imposibles de observar en experimentos de detección directa de materia oscura. Estos incluyen la materia oscura, que es demasiado ligera para dejar una señal detectable en experimentos de repulsión nuclear, o interacciones cuya velocidad transversal se suprime mediante dispersión no relativista.
Recientemente se ha señalado que las estrellas de neutrones viejas y aisladas en la vecindad solar pueden calentarse mediante la captura de materia oscura, lo que provocaría un aumento de temperatura de 2000 K.
A edades superiores a los 10 millones de años, se espera que las estrellas de neutrones aisladas se enfríen a temperaturas inferiores a ésta, a menos que se recalienten mediante la acumulación de material estable o mediante mecanismos de calentamiento internos.
Como resultado, la observación de una estrella de neutrones local podría imponer estrictas limitaciones a las interacciones de la materia oscura. Es importante destacar que las temperaturas de las estrellas de neutrones en este rango dan como resultado emisiones infrarrojas que podrían detectarse con futuros telescopios.
«Nuestros nuevos cálculos muestran por primera vez que la mayor parte de la energía se deposita en unos pocos días», dijo la profesora Nicole Bell de la Universidad de Melbourne, primera autora del estudio.
«La búsqueda de la materia oscura es una de las mayores historias de detectives de la ciencia».
«El 85% de la materia de nuestro universo es materia oscura, pero no podemos verla».
«No interactúa con la luz: no absorbe la luz, no la refleja, no emite luz».
«Esto significa que, aunque sabemos que está ahí, nuestros telescopios no pueden observarlo directamente».
«En cambio, su atracción gravitacional sobre los objetos que podemos ver nos dice que debe estar allí».
«Una cosa es predecir el tema teóricamente y otra muy distinta observarlo experimentalmente».
«Los experimentos en la Tierra están limitados por los desafíos técnicos que implica construir detectores suficientemente grandes».
«Sin embargo, las estrellas de neutrones sirven como los mayores detectores naturales de materia oscura, recolectando materia oscura en escalas de tiempo astronómicamente largas, por lo que son un buen lugar para centrar nuestros esfuerzos».
«Las estrellas de neutrones se forman cuando una estrella supermasiva se queda sin combustible y colapsa», dijo el profesor Bell.
«Tienen una masa similar a la de nuestro Sol y están comprimidos en una bola de sólo 20 kilómetros de ancho. A cualquier densidad, se convierten en agujeros negros.
«Aunque la materia oscura es la materia dominante en el universo, es muy difícil de detectar porque sus interacciones con la materia normal son muy débiles».
«De hecho, es tan débil que la materia oscura puede atravesar directamente la Tierra o incluso el Sol».
«Pero las estrellas de neutrones son diferentes: son tan densas que es más probable que las partículas de materia oscura interactúen con la estrella».
«Cuando las partículas de materia oscura chocan con los neutrones de la estrella, pierden energía y quedan atrapadas».
«Con el tiempo, esto puede conducir a la acumulación de materia oscura en la estrella».
«Se espera que esto caliente estrellas de neutrones viejas y frías más allá del alcance de futuras observaciones o desencadene el colapso de la estrella en un agujero negro», dijo el Ph.D. de la Universidad de Melbourne. candidato Michael Virgato, coautor del estudio.
«Si la transferencia de energía ocurre lo suficientemente rápido, la estrella de neutrones se calentará».
«Para que esto suceda, la materia oscura sufre muchas colisiones con la estrella, cambiando cada vez más energía de la materia oscura hasta que, finalmente, toda la energía se deposita en la estrella».
«Hasta ahora no se sabía cuánto dura este proceso, porque a medida que la energía de las partículas de materia oscura se hace cada vez más pequeña, es menos probable que vuelvan a interactuar».
«Como resultado, se pensó que llevaría mucho tiempo convertir toda la energía, a veces más que la edad del universo».
En cambio, los investigadores calculan que el 99% de la energía se convierte en unos pocos días.
«Esta es una buena noticia porque la materia oscura puede calentar estrellas de neutrones a un nivel detectable», dijo Virgato.
«Como resultado, las observaciones de una estrella de neutrones fría proporcionarán información importante sobre las interacciones entre la materia oscura y la regular, arrojando luz sobre la naturaleza de esta materia esquiva».
«Si queremos comprender la ubicua materia oscura, es fundamental que utilicemos todas las técnicas a nuestra disposición para descubrir cuál es la materia oculta de nuestro universo».
El estudiar Publicado en Revista de cosmología y astrofísica.
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nicole f. Campana y muchos otros. 2024. Calentamiento y aniquilación de materia oscura en estrellas de neutrones. JCAP 04, 006; doi: 10.1088/1475-7516/2024/04/006
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