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Hasta ahora, los científicos han podido inferir la existencia de la materia oscura, pero no observarla directamente. Detectar realmente las partículas de materia oscura en experimentos en la Tierra es una tarea formidable, porque las interacciones de las partículas de materia oscura con la materia regular son extremadamente raras.
Para buscar estas señales increíblemente raras, necesitamos un detector muy grande, quizás tan grande que es impracticable construir un detector lo suficientemente grande en la Tierra. Sin embargo, la Naturaleza ofrece una opción alternativa en forma de estrellas de neutrones: una estrella de neutrones entera puede actuar como el detector de materia oscura definitivo. En una investigación publicada en Physical Review Letters, hemos determinado cómo utilizar con mucha más precisión la información obtenida de estos exclusivos detectores naturales de materia oscura.
Las estrellas de neutrones son las más densas que se conocen y se forman cuando las estrellas gigantes mueren en explosiones de supernovas. En su interior queda un núcleo colapsado, en el que la gravedad presiona la materia con tanta fuerza que los protones y los 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 unos mil millones de toneladas.
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| Las estrellas de neutrones son lo suficientemente densas como para capturar la materia oscura. Crédito: NASA |
La materia oscura interactúa muy débilmente con la materia ordinaria. Por ejemplo, puede atravesar un año-luz de plomo (unos 10 billones de kilómetros) sin ser detenida. Sin embargo, increíblemente, las estrellas de neutrones son tan densas que pueden ser capaces de atrapar todas las partículas de materia oscura que las atraviesan.
En teoría, las partículas de materia oscura colisionarían con los neutrones de la estrella, perderían energía y quedarían atrapadas gravitatoriamente. Con el tiempo, las partículas de materia oscura se acumularían en el núcleo de la estrella. Se espera que esto caliente las viejas y frías estrellas de neutrones hasta un nivel que podría estar al alcance de futuras observaciones. En casos extremos, la acumulación de materia oscura podría desencadenar el colapso de la estrella hasta convertirse en un agujero negro.
Esto significa que las estrellas de neutrones pueden permitirnos sondear ciertos tipos de materia oscura que serían difíciles o imposibles de observar en experimentos en la Tierra.
Sin embargo, las partículas de materia oscura pueden quedar teóricamente atrapadas en las estrellas y los planetas en cantidades considerables, independientemente de lo ligeras o pesadas que sean.
Uno de los retos más importantes a la hora de utilizar las estrellas de neutrones para detectar la materia oscura es garantizar que los cálculos que utilizan los científicos tengan en cuenta el entorno único de la estrella. Aunque la captura de materia oscura en las estrellas de neutrones se ha estudiado durante décadas, los cálculos existentes han pasado por alto importantes efectos físicos.
Fuentes, créditos y referencias:
Nicole F. Bell et al, Nucleon Structure and Strong Interactions in Dark Matter Capture in Neutron Stars, Physical Review Letters (2021). DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.111803
Imagen: Ilustración que muestra los rayos gamma de una estrella de neutrones. Crédito: NASA