Actualizado 18/06/2018 11:05 CET

Cómo identificar la materia oscura en púlsares binarios

Imagen de un púlsar cayendo en el campo gravitacional de la Vía Lác
NORBERT WEX, WITH MILKY WAY IMAGE BY R. HURT (SSC

   MADRID, 18 Jun. (EUROPA PRESS) -

   Investigadores del Instituto Max Planck de Radioastronomía han propuesto un nuevo experimento que usa estrellas superdensas para aprender más de la interacción de la materia oscura con la estándar.

   Este experimento ya proporciona alguna mejora en la restricción de las propiedades de la materia oscura, pero se promete aún más progreso mediante exploraciones en el centro de nuestra Vía Láctea que están en marcha.

   Los hallazgos se publican en la revista Physical Review Letters.

   Se cree que la llamada materia oscura representa aproximadamente el 80 por ciento de la materia en nuestro universo. Hasta hoy, la materia oscura no se ha observado directamente. Su presencia solo se deduce indirectamente de varias observaciones astronómicas, como la rotación de las galaxias, el movimiento de los cúmulos de galaxias y las lentes gravitacionales. La naturaleza real de la materia oscura es una de las preguntas más destacadas en la ciencia moderna. Muchos físicos creen que la materia oscura consiste en partículas subatómicas hasta ahora no descubiertas.

   Con la naturaleza desconocida de la materia oscura, surge otra pregunta importante: ¿es la gravedad la única interacción de largo alcance entre la materia normal y la materia oscura? En otras palabras, ¿la materia solo siente la curvatura espacio-temporal causada por la materia oscura, o hay otra fuerza que atrae materia hacia la materia oscura, o tal vez incluso la aleja y reduce la atracción general entre la materia normal y la materia oscura? Eso implicaría una violación de la universalidad de la caída libre hacia la materia oscura. Esta fuerza hipotética a veces se etiqueta como "quinta fuerza", además de las cuatro interacciones fundamentales bien conocidas en la naturaleza (gravitación, interacción electromagnética y débil, interacción fuerte).

   En la actualidad, existen varios experimentos que establecen límites estrictos en una quinta fuerza que se origina en la materia oscura. Uno de los experimentos más estrictos utiliza la órbita Tierra-Luna y prueba una aceleración anómala hacia el centro galáctico, es decir, el centro del halo esférico de materia oscura de nuestra galaxia. La alta precisión de este experimento proviene del Lunar Laser Ranging, donde la distancia a la Luna se mide con precisión de centímetros mediante el rebote de los pulsos láser de los retro reflectores instalados en la Luna.

   Hasta el día de hoy, nadie ha realizado una prueba de quinta fuerza así con un objeto exótico como una estrella de neutrones. "Hay dos razones por las que los púlsares binarios abren una forma completamente nueva de probar esa quinta fuerza entre la materia normal y la materia oscura", dice Lijing Shao del Instituto Max Planck de Radioastronomía (MPIfR) en Bonn, Alemania, el primero autor de la publicación en Physical Review Letters. "Primero, una estrella de neutrones consiste en materia que no puede construirse en un laboratorio, muchas veces más densa que un núcleo atómico y que consiste casi exclusivamente de neutrones. Además, los enormes campos gravitacionales dentro de una estrella de neutrones, mil millones de veces más fuertes que el Sol, en principio, podrían mejorar en gran medida la interacción con la materia oscura ".

   La órbita de un púlsar binario se puede obtener con alta precisión midiendo el tiempo de llegada de las señales de radio del púlsar con radiotelescopios. Para algunos púlsares, se puede lograr una precisión de más de 100 nanosegundos, que corresponde a la determinación de la órbita del púlsar con una precisión superior a 30 metros.

   Para probar la universalidad de la caída libre hacia la materia oscura, el equipo de investigación identificó un pulsar binario particularmente adecuado, llamado PSR J1713 + 0747, que se encuentra a una distancia de aproximadamente 3800 años luz de la Tierra. Este es un púlsar de milisegundos con un período de rotación de tan solo 4,6 milisegundos y es uno de los rotadores más estables entre la población de púlsares conocida. Además, está en una órbita casi circular de 68 días con un compañero enano blanco.

   Aunque los astrónomos especializados en púlsares generalmente están interesados en púlsares binarios apretados con movimiento orbital rápido cuando prueban la relatividad general, los investigadores ahora estaban buscando un púlsar de milisegundos en movimiento en una órbita amplia. Cuanto más amplia es la órbita, más sensible reacciona a una violación de la universalidad de la caída libre. Si el pulsar siente una aceleración diferente hacia la materia oscura que su enana blanca compañera, uno debería ver una deformación de la órbita binaria a lo largo del tiempo, es decir, un cambio en su excentricidad.

   "Más de 20 años de sincronización regular de alta precisión con Effelsberg y otros radiotelescopios del Pulsar Timing Array europeo y los proyectos de cronometraje NANOGrav de América del Norte mostraron con gran precisión que no hay cambio en la excentricidad de la órbita", explica Norbert Wex , también desde MPIfR. "Esto significa que, en un alto grado, la estrella de neutrones siente el mismo tipo de atracción hacia la materia oscura que hacia otras formas de materia estándar".

   "Para hacer que estas pruebas sean aún mejores, estamos buscando activamente púlsares adecuados cerca de grandes cantidades de materia oscura esperada", dice Michael Kramer, director de MPIfR y jefe de su grupo de investigación "Física Fundamental en Radio Astronomía". "El lugar ideal es el centro galáctico donde usamos Effelsberg y otros telescopios en el mundo para echarle un vistazo como parte de nuestro proyecto Black Hole Cam. Una vez que tengamos el Square Kilometer Array, podremos hacer que esas pruebas sean súper precisas", concluye.

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