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 ha calculado que la energía transferida cuando las partículas de materia oscura chocan y se aniquilan en el interior de estrellas de neutrones frías podría calentar las estrellas muy rápidamente; Anteriormente se pensaba que esta transferencia de energía llevaría mucho tiempo, en algunos casos más que la edad del universo mismo, lo que hacía que dicho 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 se puede utilizar para probar las interacciones de la materia oscura de una manera que sea muy complementaria a los experimentos en la Tierra, especialmente porque la materia oscura se acelera a velocidades relativistas durante la caída de una estrella de neutrones.

En algunos casos, las técnicas de estrellas de neutrones pueden explorar interacciones que serían difíciles o imposibles de observar en experimentos directos de detección de materia oscura. Estos incluyen materia oscura que es demasiado ligera para dejar una señal detectable en experimentos de retroceso nuclear, o interacciones en las que se suprime el impulso transversal no relativista.

Recientemente se ha señalado que las antiguas estrellas de neutrones aisladas en la zona solar pueden calentarse atrapando materia oscura, lo que provoca un aumento de temperatura de 2000 K.

Se espera que, a edades superiores a los 10 millones de años, las estrellas de neutrones aisladas se enfríen a temperaturas aún más bajas, siempre que no se recalienten mediante la acumulación de materia estándar o mediante mecanismos de calentamiento internos.

Como resultado, observar una estrella de neutrones local puede 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 almacenará en unos pocos días», afirmó la profesora Nicole Bell de la Universidad de Melbourne, primera autora del estudio.

«La búsqueda de la materia oscura es una de las grandes historias de detectives de la ciencia».

«La materia oscura constituye el 85% de la materia del universo, pero no podemos verla».

«No interactúa con la luz, no absorbe la luz, no refleja la luz, no emite luz».

«Esto significa que nuestros telescopios no pueden observarlos directamente, aunque sepamos que existen».

«En cambio, su atracción gravitacional sobre las cosas que podemos ver nos dice que debe estar allí».

«Predecir la materia oscura teóricamente es una cosa, pero observarla experimentalmente es otra».

«Los experimentos en la Tierra están limitados por los desafíos técnicos que supone fabricar detectores lo suficientemente grandes».

«Sin embargo, las estrellas de neutrones actúan como detectores naturales masivos de materia oscura, que han estado recolectando materia oscura durante períodos de tiempo muy largos, por lo que son un buen lugar para que centremos nuestros esfuerzos».

«Las estrellas de neutrones se forman cuando una estrella masiva se queda sin combustible y colapsa», dijo el profesor Bell.

«Su masa es similar a la de nuestro Sol, confinada a una esfera de sólo 20 kilómetros de diámetro. A medida que se vuelvan más densos, se convertirán 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 puede atravesar directamente la Tierra, o incluso el Sol».

«Pero las estrellas de neutrones son diferentes. Son tan densas que es 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 hará que la materia oscura se acumule en la estrella».

«Se espera que esto caliente estrellas de neutrones viejas y frías a un nivel que pueda ser accesible para futuras observaciones, o incluso lleve a la estrella a colapsar en un agujero negro», dijo un doctorado de la Universidad de Melbourne. candidato Michael Vergato, 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 materia oscura hasta que finalmente toda la energía se deposite en la estrella”.

«Anteriormente no se sabía cuánto duraría este proceso, porque a medida que la energía de las partículas de materia oscura se vuelve cada vez más pequeña, es menos probable que vuelvan a interactuar».

“Como resultado, se pensó que se necesitaría mucho tiempo para transferir toda la energía, 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 detectable», dijo Vergato.

«Como resultado, observar una estrella de neutrones fría podría proporcionar información vital sobre las interacciones entre la materia oscura y la materia regular, arrojando luz sobre la naturaleza de esta materia esquiva».

«Si queremos comprender la materia oscura, que está en todas partes, es fundamental que utilicemos todas las técnicas a nuestra disposición para descubrir qué es la materia oscura en nuestro universo».

el Estancia Fue publicado en Revista de cosmología y física de astropartículas.

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nicole f. Factura et al. 2024. Calentamiento y aniquilación de la materia oscura en estrellas de neutrones. JCAP 04, 006; doi: 10.1088/1475-7516/2024/04/006