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Analizan el efecto que tendría la materia oscura en estrellas de neutrones como posible test de la naturaleza de esta materia.

La búsqueda para descubrir la naturaleza de la materia oscura es uno de los mayores desafíos de la ciencia en la actualidad, pese a los numerosos intentos por detectarla directamente todavía seguimos sin cosechar ni un éxito en este sentido.

Hay varias propuestas a materia oscura, pero de momento tampoco sabemos de que está hecha esta sustancia misteriosa que debíamos de haber llamado «materia transparente».

Hasta ahora, los astrofísicos han podido inferir la existencia de materia oscura en las curvas de rotación de las galaxias, en la estructura a gran escala del Universo y en las lentes gravitatorias, pero no se han observado directamente las partículas que supuestamente la componen.

En realidad, la detección de partículas de materia oscura en experimentos en la Tierra es una tarea muy complicada debido a que las interacciones entre las partículas de materia oscura y la ordinaria de la que están compuestos nuestros instrumentos son extremadamente escasas.

Para buscar estas señales necesitamos un detector muy grande, tal vez tan grande que sea impracticable construir un detector lo suficientemente grande en la Tierra. Sin embargo, la naturaleza proporciona una opción alternativa en forma de estrellas de neutrones, pues una estrella de este tipo podría actuar como el detector de materia oscura.

Las estrellas de neutrones son las estrellas más densas y se forman cuando las estrellas gigantes mueren en las explosiones de supernovas. Detrás queda un núcleo en el que la gravedad presiona la materia de tal modo que los protones y los electrones se combinan para formar neutrones.

Con una masa comparable a la del Sol, estas estrellas miden solamente del orden de 10 km. Una cucharadita de material de estrella de neutrones tiene una masa de aproximadamente mil millones de toneladas.

La materia oscura interactúa muy débilmente con la materia ordinaria (si es que lo hace) y se deja sentir, sobre todo, por la fuerza de gravedad. Así, por ejemplo, una de estas partículas de materia oscura puede pasar a través de un bloque de plomo de un año luz de ancho sin que sea detenida.

Sin embargo, las estrellas de neutrones son tan densas que pueden ser capaces de atrapar las partículas de materia oscura que pasen a su través. Teóricamente, las partículas de materia oscura chocarían con neutrones en la estrella, perderían energía y se quedarían gravitatoriamente atrapadas. Con el tiempo, las partículas de materia oscura se acumularían en el núcleo de la estrella. Se espera que esto produzca un calentamiento extra en las estrellas de neutrones antiguas y frías a un nivel que pueda estar al alcance de las observaciones futuras. En casos extremos, la acumulación de materia oscura puede desencadenar el colapso de la estrella y que se genere 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.

En la Tierra, los experimentos de materia oscura buscan pequeñas señales de retroceso nuclear causadas por colisiones, increíblemente raras, de partículas de materia oscura que se muevan lentamente. En comparación, el fuerte campo gravitatorio de una estrella de neutrones acelera la materia oscura con velocidades casi relativistas, lo que resulta en colisiones de energía mucho más altas.

Otro problema para la detección basada detectores en la Tierra es que los experimentos de retroceso nuclear son más sensibles a las partículas de materia oscura que tienen una masa similar a los núcleos atómicos, lo que hace que sea más difícil detectar la materia oscura compuesta por partículas que pueda ser mucho más ligeras o más pesada.

Sin embargo, las partículas de materia oscura pueden ser atrapadas en las estrellas y los planetas en cantidades considerables, independientemente de lo ligeras o pesadas que sean.

Un desafío en el uso de estrellas de neutrones para este fin es garantizar que los cálculos de los científicos tengan completamente en cuenta el entorno único de estas estrella. Aunque la captura de materia oscura en las estrellas de neutrones se había estudiado durante décadas, los cálculos existentes no habían considerado hasta ahora importantes efectos físicos.

Es aquí en donde entra el trabajo de Nicole F. Bell (University of Melbourne) y colaboradores. Este grupo de investigadores se propuso realizar mejoras clave en el cálculo de la tasa de captura de la materia oscura. Así, por ejemplo, cómo de rápido se acumule la materia oscura en las estrellas de neutrones implica cambios considerables en las respuestas.

Según el artículo recientemente publicado por este grupo, su trabajo explica correctamente la estructura de los núcleos. Así, en lugar de tratar los neutrones como partículas puntuales que forman un gas libre de partículas, su trabajo tiene en cuenta los efectos de la fuerza fuerte entre los nucleones. Además, incluyen efectos relativistas, las estadísticas cuánticas y el enfoque gravitatorio.

Según los autores, su nuevo trabajo aumenta en gran medida la precisión y la robustez de las estimaciones para la tasa de captura de materia oscura. Esto allana el camino para determinar mejor la fuerza de las interacciones de la materia oscura con materia ordinaria.

En última instancia, las pruebas (o la falta de las mismas) de la acumulación de materia oscura en las estrellas proporcionaría pistas valiosas sobre dónde dirigir los esfuerzos experimentales en la Tierra, ayudando a desbloquear el misterio de la materia oscura.

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Fuentes y referencias:
Artículo original.
Preprint en ArXiv.
Ilustración: NASA.