¿Se pueden utilizar ondas gravitacionales para detectar materia oscura?

En 1916, Einstein publicó oficialmente la teoría de la relatividad general. Esta teoría de la gravedad considera que la gravedad es el resultado de la flexión de la estructura del espacio-tiempo. La teoría predice que cuando un objeto masivo se acelera en el tejido del espacio-tiempo, creará ondas llamadas ondas gravitacionales.

Teóricamente, cualquier objeto que interactúe con la gravedad puede producir ondas gravitacionales. Pero sólo los eventos cósmicos más energéticos producen ondas gravitacionales lo suficientemente poderosas como para que podamos detectarlas. En 2015, el Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferómetro Láser (LIGO) detectó directamente ondas gravitacionales por primera vez, originadas por la colisión de dos agujeros negros en una galaxia distante. Desde entonces, los astrónomos han detectado directamente ondas gravitacionales muchas veces, y en 2017 detectaron por primera vez ondas gravitacionales producidas por la fusión de dos estrellas de neutrones. Las ondas gravitacionales no sólo confirman firmemente la teoría general de la relatividad, sino que también se espera que se utilicen para la detección de materia oscura.

Cuando los astrónomos estudiaron las curvas de rotación de las galaxias, descubrieron que puede haber una gran cantidad de cosas invisibles en las galaxias que son diferentes de la materia ordinaria. La gravedad que generan puede mantener intacta la estructura de las galaxias. Las galaxias inevitablemente colapsarán. Se estima que hay cinco veces más materia oscura en el universo que materia ordinaria, y sus efectos gravitacionales se pueden ver en todas partes del universo.

Los astrónomos creen que dado que la materia puede producir ondas gravitacionales, la materia oscura que puede producir gravedad también puede producir ondas gravitacionales. Si bien los astrónomos aún no han visto definitivamente ondas gravitacionales causadas por la materia oscura, han teorizado muchas formas en que esto podría suceder.

Se han observado los efectos gravitacionales de la materia oscura, por lo que debe haber materia oscura allí, o al menos algo debe estar causando estos efectos gravitacionales. Pero hasta ahora las partículas de materia oscura no se han detectado directamente, por lo que los astrónomos aún no saben cómo es la materia oscura.

Una idea es que algo de materia oscura puede ser en realidad agujeros negros primordiales.

En el universo primitivo extremadamente denso, las fluctuaciones de densidad pueden provocar que algunos materiales sufran un fuerte colapso gravitacional para formar agujeros negros. Estos son los primeros agujeros negros que pueden existir en el universo y se denominan agujeros negros primordiales. . Si tales agujeros negros existieran, tendrían profundos efectos en las condiciones del universo primitivo.

Utilizando ondas gravitacionales para comprender las propiedades de los agujeros negros, se espera que LIGO pueda probar o descartar esta teoría de la materia oscura. A diferencia de los agujeros negros ordinarios, los agujeros negros primordiales no tienen un umbral de masa mínimo necesario para formarse. Su masa puede ser tan baja como una cienmillonésima de kilogramo. En comparación, los agujeros negros de masa estelar más pequeños tienen un límite de masa inferior de 3 masas solares. Si LIGO detecta un agujero negro con una masa menor que la del Sol, puede que se trate de un agujero negro primordial.

Sin embargo, incluso si los agujeros negros primordiales existieran, es cuestionable si pueden explicar toda la materia oscura del universo. Aún así, encontrar evidencia de agujeros negros primordiales ayudará a nuestra comprensión de la materia oscura y los orígenes del universo.

La materia oscura parece interactuar con la materia ordinaria sólo a través de la gravedad, pero basándose en la forma en que interactúan las partículas conocidas, los astrónomos creen que la materia oscura también puede interactuar consigo misma. Si es así, las partículas de materia oscura podrían fusionarse para formar "objetos oscuros" densos como estrellas de neutrones.

Debido a que las estrellas son tan masivas, comprimen fuertemente el tejido del espacio-tiempo que las rodea. Si el universo está lleno de objetos densos y oscuros, al menos algunos de ellos quedarán atrapados en estrellas de materia ordinaria.

Una estrella ordinaria y un objeto oscuro interactuarían sólo a través de la gravedad, lo que permitiría que los dos existieran sin causar demasiados problemas. Sin embargo, los procesos que alteran las estructuras estelares, como las explosiones de supernovas, pueden crear una perturbación espacio-temporal entre la estrella de neutrones resultante y el objeto oscuro atrapado. Si tal evento ocurriera en nuestra galaxia, produciría ondas gravitacionales detectables.

Los astrónomos analizaron recientemente los datos de LIGO y no encontraron objetos oscuros densos en un rango de masa específico dentro de la Tierra, Júpiter o el Sol. En este sentido, sólo podemos centrarnos en estrellas con mayor masa y se requiere más investigación sobre las ondas gravitacionales.

Otro candidato a partículas de materia oscura es el axión, que fue propuesto originalmente en el estudio de la cromodinámica cuántica. Los astrónomos creen que los axiones pueden combinarse para formar estrellas de axiones similares a las estrellas de neutrones, que están compuestas de materia de axiones extremadamente densa.

Si una estrella axión se fusionara con una estrella de neutrones, es posible que los astrónomos no pudieran notar la diferencia utilizando los equipos de observación existentes. Para descubrir posibles estrellas con axiones, los astrónomos deben confiar en las señales electromagnéticas que acompañan a las ondas gravitacionales para identificar anomalías.

También es posible que los axiones estén agrupados alrededor de un agujero negro binario o un sistema binario de estrellas de neutrones. Si estas estrellas muertas se fusionan, los cambios en la "nube de axiones" serán visibles en la señal de ondas gravitacionales. Una tercera posibilidad es que las fusiones de estrellas muertas puedan crear axiones, acción que se reflejaría en señales de ondas gravitacionales.

Los detectores de ondas gravitacionales ya han demostrado su eficacia a la hora de confirmar la relatividad general, pero hacen más que eso. Las ondas gravitacionales han abierto una nueva forma de detección, lo que significa que los humanos tienen nuevas formas de estudiar los principales problemas del universo.