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Detectando materia oscura con estrellas de neutrones

by notiulti

Ilustración que muestra los rayos gamma de una estrella de neutrones. Crédito de la foto: NASA.

La búsqueda de la naturaleza de la materia oscura es uno de los mayores desafíos que enfrenta la ciencia en la actualidad, pero la clave para la comprensión definitiva de esta misteriosa sustancia puede estar en las estrellas.


O más bien, un cierto tipo de estrella: la neutrón Estrella.

Hasta ahora, los científicos han podido determinar la existencia de oscuridad. objetopero no observes directamente. Realmente reconocer Partículas de materia oscura Experimentar en la Tierra es una tarea abrumadora, porque las interacciones de las partículas de materia oscura con la materia ordinaria son extremadamente raras.

Para buscar esta señal extremadamente rara, necesitaríamos un detector muy grande, quizás tan grande que no sería práctico construir un detector lo suficientemente grande en la Tierra. Sin embargo, la naturaleza ofrece una opción alternativa en forma de estrellas de neutrones: todas las estrellas de neutrones pueden actuar como detectores primarios de materia oscura.

En una investigación publicada en Carta de revisión física, descubrimos cuánta información más precisa se podía obtener de este detector de materia oscura único.

Las estrellas de neutrones son las estrellas más densas conocidas y se forman cuando las estrellas gigantes mueren en explosiones de supernovas. Lo que queda es un núcleo en colapso donde la gravedad presiona la materia con tanta fuerza que los protones y electrones se combinan para formar neutrones. Con una masa comparable a la del sol, comprimida en un radio de 10 km, una cucharadita de material de estrella de neutrones tiene una masa de aproximadamente mil millones de toneladas.

Detectando materia oscura con estrellas de neutrones

Las estrellas de neutrones son lo suficientemente densas como para capturar la materia oscura. Crédito de la foto: NASA.

Estas estrellas son “laboratorios cósmicos” que nos permiten estudiar cómo se encuentra la materia oscura debajo de ellas. condiciones extremas que no se puede reproducir en la tierra.

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La materia oscura interactúa muy débilmente con la materia ordinaria. Por ejemplo, puede pasar un año luz de plomo (unos 10 billones de kilómetros) sin detenerse. Pero sorprendentemente, las estrellas de neutrones son tan densas que tienen el potencial de atrapar cualquier partícula de materia oscura que las cruce.

En teoría, las partículas de materia oscura chocarían con los neutrones de la estrella, perderían energía y quedarían atrapadas gravitacionalmente. Con el tiempo, las partículas de materia oscura se acumularán en el núcleo de la estrella. Se espera que esto caliente las viejas estrellas de neutrones frías a niveles que pueden ser inalcanzables para futuras observaciones. En casos extremos, la acumulación de materia oscura puede provocar el colapso de una estrella en un agujero negro.

Esto significa que las estrellas de neutrones nos permiten estudiar ciertos tipos de materia oscura que serían difíciles o imposibles de observar en experimentos en la Tierra.

En la Tierra, los experimentos de materia oscura buscan pequeñas señales de retroceso nuclear causadas por colisiones muy raras entre partículas de materia oscura de movimiento lento. En comparación, el fuerte campo gravitacional de una estrella de neutrones acelera la materia oscura a velocidades cuasi relativistas, lo que lleva a colisiones con energías mucho más altas.

Otro problema para la detección en la Tierra es que los experimentos de retroceso nuclear son más sensibles a las partículas de materia oscura que son similares en masa a los núcleos atómicos, lo que dificulta la detección de materia oscura mucho más ligera o más pesada.

Detectando materia oscura con estrellas de neutronesDetectando materia oscura con estrellas de neutrones

Se sospecha la existencia de materia oscura, pero no se ha observado directamente. Crédito de la foto: NASA.

Sin embargo, en teoría, las partículas de materia oscura pueden quedar atrapadas en un número significativo de estrellas y planetas, independientemente de lo ligeras o pesadas que sean.

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Un desafío crítico en el uso de estrellas de neutrones para detectar materia oscura es garantizar que los cálculos utilizados por los científicos tengan en cuenta completamente el entorno único de la estrella. Aunque la captura de materia oscura en estrellas de neutrones se ha estudiado durante décadas, los cálculos existentes han pasado por alto importantes efectos físicos.

Por lo tanto, nuestro equipo comenzó a aumentar significativamente el cálculo de las tasas de captura de materia oscura, es decir, qué tan rápido se acumula la materia oscura. Estrella neutrón– lo que cambia la respuesta significativamente.

Nuestra investigación tiene en cuenta precisamente la estructura de los nucleones en lugar de tratar a los neutrones como partículas puntuales, y tiene en cuenta los efectos de las fuerzas fuertes entre los nucleones en lugar de modelar los neutrones como partículas de gas libre. Esto se basa en nuestro trabajo anterior en el que consideramos la composición estelar, los efectos relativistas, las estadísticas cuánticas y el enfoque gravitacional.

En pocas palabras, hemos mostrado la forma correcta de pensar sobre las colisiones con materia oscura en entornos extremos de estrellas de neutrones que son muy diferentes de los detectores de materia oscura en la Tierra.

Esta nueva investigación mejora en gran medida la precisión y solidez de nuestras estimaciones de tasa de captura de materia oscura. Esto allana el camino para que podamos determinar mejor la fuerza de las interacciones entre la materia oscura y la materia ordinaria.

En última instancia, la evidencia (o la falta de evidencia) de la acumulación de materia oscura en el estrella proporcionará pistas valiosas sobre dónde se deben hacer esfuerzos experimentales para desentrañar el misterio Materia oscura.

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3 conocidos y 3 desconocidos sobre la materia oscura


Más información:

Nicole F. Bell et al., Estructura de nucleones e interacciones fuertes en la captura de materia oscura en estrellas de neutrones, Carta de revisión física (2021). DOI: 10.1103 / PhysRevLett.127.111803

Citas: Uso de estrellas de neutrones para detectar materia oscura (2021, 26 de octubre), consultado el 27 de octubre de 2021 en https://phys.org/news/2021-10-neutron-stars-dark.html

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