La captura y aniquilación de la materia oscura podría calentar estrellas de neutrones antiguas y aisladas, dicen los físicos
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 calcularon que la energía transferida cuando las partículas de materia oscura chocan y se aniquilan entre sí en el interior de estrellas de neutrones frías puede calentar las estrellas muy rápidamente; Anteriormente se pensaba que esta transferencia de energía podría tardar mucho tiempo, en algunos casos más que la edad del Universo, lo que hacía que este calentamiento fuera irrelevante.
Impresión artística de una estrella de neutrones.
Recientemente se han realizado muchos trabajos sobre la captura de materia oscura en estrellas de neutrones como una sonda sensible de las interacciones de la materia oscura con la materia ordinaria.
Esto podría usarse potencialmente para probar las interacciones de la materia oscura de una manera que sea altamente complementaria a los experimentos en la Tierra, especialmente porque la materia oscura se acelera a velocidades relativistas durante su caída en una estrella de neutrones.
En algunos casos, las técnicas de estrellas de neutrones podrían potencialmente investigar interacciones que serían difíciles o imposibles de observar en experimentos directos de detección de materia oscura. Esto incluye materia oscura que es demasiado clara para dejar una señal detectable en experimentos de retroceso nuclear, o interacciones para las cuales la sección transversal de dispersión no relativista se suprime momentáneamente.
Recientemente se ha señalado que las estrellas de neutrones antiguas y aisladas en la vecindad solar podrían 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 esta, siempre y cuando no se recalienten mediante la acumulación de materia estándar o mecanismos de calentamiento internos.
Como resultado, la observación de una estrella de neutrones local podría imponer restricciones estrictas a las interacciones de la materia oscura. Es importante destacar que las temperaturas de las estrellas de neutrones en este rango darían lugar a emisiones en el infrarrojo cercano, potencialmente detectables por futuros telescopios.
«Nuestros nuevos cálculos muestran por primera vez que la mayor parte de la energía se depositaría en sólo unos pocos días», dijo la profesora de la Universidad de Melbourne Nicole Bell, primera autora del estudio.
«La búsqueda de la materia oscura es una de las mayores historias de detectives de la ciencia».
«La materia oscura constituye el 85% de la materia de nuestro Universo, pero no podemos verla».
«No interactúa con la luz, no absorbe la luz, no la refleja, no emite luz».
«Esto significa que nuestros telescopios no pueden observarlo directamente, aunque sepamos que existe».
«En cambio, su atracción gravitacional sobre los objetos que podemos ver nos dice que debe estar allí».
«Una cosa es predecir teóricamente la materia oscura y otra observarla experimentalmente».
«Los experimentos en la Tierra están limitados por los desafíos técnicos que implica fabricar detectores suficientemente grandes».
«Sin embargo, las estrellas de neutrones actúan como enormes detectores naturales de materia oscura, que han estado recolectando materia oscura durante 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, formando una bola de sólo 20 kilómetros de ancho. Si fueran más densos, se convertirían en agujeros negros”.
“Aunque la materia oscura es el tipo de materia dominante en el Universo, es muy difícil de detectar porque sus interacciones con la materia ordinaria son muy débiles”.
“De hecho, es tan débil que la materia oscura podría atravesar la Tierra o incluso el Sol”.
“Pero las estrellas de neutrones son diferentes: son tan densas que es mucho más probable que las partículas de materia oscura interactúen con la estrella”.
«Si las partículas de materia oscura chocan con los neutrones de la estrella, perderán energía y quedarán atrapadas».
«Con el tiempo, esto conduciría a una acumulación de materia oscura en la estrella».
«Se espera que esto caliente estrellas de neutrones viejas y frías a un nivel que pueda estar al alcance de futuras observaciones, o incluso provocar que la estrella colapse 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 debe sufrir muchas colisiones en la estrella, transfiriendo cada vez más energía de la materia oscura hasta que, finalmente, toda la energía se haya depositado en la estrella”.
«Anteriormente no se sabía cuánto tiempo tomaría este proceso porque, a medida que la energía de las partículas de materia oscura disminuye cada vez más, es cada vez menos probable que vuelvan a interactuar».
«Como resultado, se pensaba que la transferencia de toda la energía llevaba mucho tiempo, a veces más que la edad del Universo».
En cambio, los investigadores calcularon que el 99% de la energía se transfiere en tan solo unos días.
«Esta es una buena noticia porque significa que la materia oscura puede calentar estrellas de neutrones a un nivel que potencialmente puede detectarse», dijo Virgato.
«Como resultado, la observación de una estrella de neutrones fría proporcionaría información vital sobre las interacciones entre la materia oscura y la materia regular, arrojando luz sobre la naturaleza de esta sustancia esquiva».
«Si queremos comprender la materia oscura -que está en todas partes- es esencial que utilicemos todas las técnicas a nuestro alcance para descubrir qué es realmente la materia oculta en nuestro Universo».
oh para estudiar fue publicado en Revista de cosmología y física de astropartículas.
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Nicole F. Bell y otra. 2024. Termalización y aniquilación de la materia oscura en estrellas de neutrones. JCAP 04.006; doi: 10.1088/1475-7516/2024/04/006
