Las ondas gravitacionales podrían arrojar luz sobre la materia oscura

Agujeros negros chocando, ondas gravitacionales circulando por el espacio-tiempo y un enorme instrumento que permite a los científicos investigar el tejido del universo. Esto podría convertirse pronto en realidad cuando la Antena Espacial del Interferómetro Láser (LISA) inicie sus operaciones. Investigadores de la Universidad de Zurich ahora han descubierto que LISA también podría arrojar luz sobre la elusiva partícula de la materia oscura. 

La Antena Espacial del Interferómetro Láser (LISA) permitirá a los astrofísicos observar las ondas gravitacionales emitidas por los agujeros negros cuando chocan o capturan otros agujeros negros. LISA constará de tres naves espaciales que orbitan el sol en una formación de triángulo constante. Las ondas gravitacionales que pasan a través distorsionarán ligeramente los lados del triángulo, y estas distorsiones mínimas se pueden detectar mediante rayos láser que conectan la nave espacial. Por lo tanto, LISA podría agregar un nuevo sentido a la percepción de los científicos sobre el universo y permitirles estudiar fenómenos invisibles en diferentes espectros de luz.

Dos galaxias enanas con agujeros negros chocan y se funden. Crédito: Thomas Tamfal / UZH

Las galaxias enanas son laboratorios naturales. 

Científicos del Centro de Astrofísica Teórica y Cosmología de la Universidad de Zurich, junto con colegas de Grecia y Canadá, han descubierto que LISA no solo será capaz de medir estas ondas previamente no estudiadas, sino que también podría ayudar a revelar secretos sobre otra misteriosa parte del universo: la materia oscura. 

Se cree que las partículas de materia oscura dan cuenta de aproximadamente el 85% de la materia en el universo. Sin embargo, todavía son solo hipotéticos: el nombre hace referencia a su "ocultamiento" de todos los intentos anteriores de verla, y mucho menos estudiarla. Pero los cálculos muestran que muchas galaxias se desgarrarían en lugar de rotar si no se mantuvieran juntas por una gran cantidad de materia oscura. 

Eso es especialmente cierto para las galaxias enanas. Si bien tales galaxias son pequeñas y débiles, también son las más abundantes en el universo. Lo que los hace particularmente interesantes para los astrofísicos es que sus estructuras están dominadas por la materia oscura, lo que los convierte en “laboratorios naturales” para estudiar esta forma de materia elusiva. 

Instantáneas de la simulación de 120 millones de partículas de dos galaxias enanas fusionadas, cada una de las cuales contiene un agujero negro, entre 6 y 7.5 mil millones de años. Crédito:  Thomas Tamfal / UZH

Los agujeros negros y la materia oscura están conectados. 

Como se informó en Astrophysical Journal Letters, las simulaciones por computadora de alta resolución del nacimiento de galaxias enanas, diseñadas y realizadas por el estudiante de doctorado de UZH, Tomas Ramfal, arrojaron resultados sorprendentes. Al calcular la interacción de la materia oscura, las estrellas y los agujeros negros centrales de estas galaxias, el equipo de científicos de Zurich descubrió un fuerte vínculo entre las tasas de fusión de estos agujeros negros y la cantidad de materia oscura en el centro de las galaxias enanas. La medición de las ondas gravitacionales emitidas por la fusión de los agujeros negros puede proporcionar pistas sobre las propiedades de la hipotética partícula de materia oscura. 

La nueva conexión entre los agujeros negros y la materia oscura puede ahora describirse de manera matemática y exacta por primera vez. Pero está lejos de ser un hallazgo casual, subraya Lucio Mayer, el líder del grupo: “La materia oscura es la cualidad distintiva de las galaxias enanas. Por lo tanto, durante mucho tiempo habíamos sospechado que esto también debería tener un efecto claro en las propiedades cosmológicas ". 

Nueva perspectiva para futuras misiones espaciales. 

La conexión se produce en un momento oportuno, al igual que los preparativos para el diseño final de LISA están en curso. Los resultados preliminares de las simulaciones de los investigadores se encontraron con entusiasmo en las reuniones del consorcio LISA. La comunidad física ve el nuevo uso de las observaciones de ondas gravitacionales como una nueva perspectiva muy prometedora para una de las misiones espaciales europeas más grandes en el futuro, que tendrá lugar en aproximadamente 15 años y podría vincular la cosmología y la física de partículas: increíblemente grande e increíblemente pequeña. 

Animación. Crédito: Thomas Tamfal / UZH

Literatura:

Tomás Tamfal, Pedro R. Capelo, Stelios Kazantzidis, Lucio Mayer, Douglas Potter, Joachim Stadel y Lawrence M. Widrow. Formación de binarios de agujeros negros LISA en fusión de galaxias enanas: la huella de la materia oscura. The Astrophysical Journal Letters, 30 de agosto de 2018.http://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/aada4b

Fuente: Universidad de Zurich