Los científicos planean utilizar “relojes” de estrellas muertas para iluminar la materia más misteriosa del universo: la energía oscura.
Estos cronometradores son en realidad pulsareso girando rápidamente estrellas de neutrones Nacen cuando mueren estrellas con una masa al menos ocho veces mayor que la del Sol. Las condiciones extremas de las estrellas de neutrones las convierten en laboratorios ideales para estudiar la física en entornos que no se encuentran en ningún otro lugar del universo.
El llamado “pulsares de milisegundos“Pueden girar cientos de veces por segundo y emitir rayos de radiación electromagnética desde sus polos como faros cósmicos que recorren el espacio. Reciben su nombre porque cuando fueron avistadas inicialmente, estas estrellas de neutrones parecían estar pulsando y aumentaban su brillo cuando sus rayos apuntaban directamente a la Tierra.
La sincronización ultraprecisa de la variación de brillo de los púlsares en milisegundos significa que pueden usarse colectivamente como relojes cósmicos en “conjuntos de cronometraje de púlsares“Estos conjuntos son tan precisos que pueden medir perturbaciones gravitacionales en el tejido del espacio y el tiempo, unidos como una entidad de cuatro dimensiones llamada “espacio-tiempo”, que podría ser la forma ideal de cazar materia oscura.
“La ciencia ha desarrollado métodos muy precisos para medir el tiempo”, dijo en un comunicado el investigador del sistema de cronometraje de pulsares John LoSecco, de la Universidad de Notre Dame. “En la Tierra, tenemos relojes atómicos, y en el espacio, tenemos pulsares”.
Poniendo punto final al misterio de la materia oscura
La materia oscura es tan misteriosa porque no interactúa con la luz ni con la materia ordinaria, o, si lo hace, lo hace de forma muy débil y no podemos detectarla. La “materia ordinaria” está formada por átomos compuestos de electrones, protones y neutrones que interactúan con la luz y la materia, por lo que los científicos saben que la materia oscura debe estar formada por otras partículas.
A pesar de no interactuar con la luz, la materia oscura sí tiene una influencia gravitatoria, y su presencia se puede inferir cuando esta influencia afecta a la luz y, de hecho, a la materia ordinaria. LoSecco y sus colegas intentaron explotar el efecto de esta influencia gravitatoria sobre la luz utilizando púlsares.
Según la teoría de la relatividad general de Albert Einstein, los objetos con masa curvan la estructura misma del espacio-tiempo, y la gravedad surge de esta curvatura. Cuando la luz pasa por esta curvatura, su trayectoria también se desvía. Esto puede cambiar el tiempo de viaje de la luz, haciendo que la luz del mismo cuerpo distante llegue a la Tierra en momentos diferentes, en teoría, “ralentizándola” (la velocidad de la luz en realidad no cambia; es la distancia que recorre la que cambia).
La materia oscura tiene masa y, por lo tanto, las concentraciones de esta misteriosa forma de materia también pueden deformar el espacio-tiempo. Por lo tanto, la trayectoria de la luz procedente de objetos distantes es curva y su tiempo de llegada se retrasa cuando pasa por concentraciones de materia oscura. Este efecto se denomina “lente gravitacionalcon el cuerpo intermedio cambiando la trayectoria de la luz, lo que se denomina “lente gravitacional”.
LoSecco y sus colegas examinaron datos recopilados de 65 púlsares en el Conjunto de cronometraje de pulsares de ParkesObservaron alrededor de 12 incidentes que indicaban variaciones y retrasos en los tiempos de los púlsares, que normalmente tienen una precisión de nanosegundos.
Esto indica que los rayos de radio de estos faros cósmicos de estrellas muertas viajan alrededor de una curvatura en el espacio causada por una concentración invisible de masa en algún lugar entre el púlsar y el telescopio. El equipo teoriza que estas masas invisibles son candidatas a “cúmulos” de materia oscura.
“Aprovechamos el hecho de que la Tierra se está moviendo, el Sol se está moviendo, el púlsar se está moviendo e incluso la materia oscura se está moviendo”, dijo LoSecco. “Observamos las desviaciones en el tiempo de llegada causadas por el cambio de distancia entre la masa que estamos observando y la línea de visión hacia nuestro púlsar ‘reloj'”.
Las desviaciones observadas por el equipo son absolutamente minúsculas. Para ilustrarlo, un cuerpo con la masa del sol Esto provocaría un retraso en las ondas de radio del púlsar de unos 10 microsegundos. Las desviaciones de retraso de materia oscura propuestas por el equipo son 10.000 veces más pequeñas que eso.
“Uno de los hallazgos sugiere una distorsión de alrededor del 20% de la masa del Sol”, dijo el profesor LoSecco. “Este objeto podría ser un candidato a materia oscura”.
Un efecto secundario de la investigación del equipo es la mejora de la precisión de los datos del Parkes Pulsar Timing Array, que se recopilan para buscar evidencia de radiación gravitacional de baja frecuencia.
Las conglomeraciones de materia oscura pueden añadir interferencias, o “ruido”, a estos datos; identificar y eliminar ese ruido ayudará a los científicos a utilizar mejor este conjunto de muestras en las búsquedas de ondas de baja frecuencia en el espacio-tiempo llamadas ondas gravitacionales. Esto podría permitir la detección de radiación gravitacional de fusiones de agujeros negros más distantes y, por lo tanto, anteriores, y, tal vez, incluso ondas gravitacionales primordiales de fondo que quedaron de la fusión. Big Bang.
“La verdadera naturaleza de la materia oscura es un misterio”, afirmó LoSecco. “Esta investigación arroja nueva luz sobre la naturaleza de la materia oscura y su distribución en la Vía Láctea y también puede mejorar la precisión de los datos de los púlsares”.
Los resultados del equipo fueron presentados en la Reunión Nacional de Astronomía (NAM) Reunión de 2024 en la Universidad de Hull el lunes (15 de julio).