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La materia oscura puede estar sacudiendo suavemente el espacio-tiempo a nuestro alrededor, y los científicos finalmente sabrán cómo detectarla

Es posible que pronto los científicos puedan detectar algunas de las entidades más misteriosas del universo utilizando una flota de satélites de próxima generación, sugiere un nuevo estudio teórico.

La materia oscura, una sustancia poco conocida que no emite, absorbe ni refleja luz pero que tiene una influencia gravitacional pronunciada sobre otra materia, domina el universo. Aunque la materia oscura es más de cinco veces más abundante en el espacio que la materia ordinaria, su composición y propiedades siguen siendo completamente desconocidas.

Para resolver este problema, Hyungjin Kim, físico teórico del centro acelerador alemán Sincrotrón de Electrones (DESY), propuso utilizar un detector de ondas gravitacionales, un instrumento diseñado para medir ondas sutiles en el tejido del espacio-tiempo, para buscar partículas de materia oscura. Estas ondas fueron descritas originalmente por Albert Einstein.

Materia oscura en forma de ondas

Existen muchas hipótesis sobre la naturaleza de las partículas de materia oscura, que se acumulan en grandes cantidades y forman los llamados halos en las galaxias. En un nuevo artículo publicado en diciembre de 2023 en el Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, Kim plantea la hipótesis de que estas partículas podrían ser extremadamente ligeras, como predicen muchas teorías populares sobre la materia oscura.

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«Las partículas ultraligeras son comunes en muchas teorías más allá del modelo estándar», dijo King a WordsSideKick.com por correo electrónico. Añadió que algunas de estas partículas son «candidatas perfectas» para la materia oscura, lo que tiene algunas implicaciones interesantes para el comportamiento de la elusiva entidad.

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«A diferencia de otras 'partículas' candidatas a materia oscura, las partículas de materia oscura ultraligeras se comportan más como partículas de materia oscura clásicas. [electromagnetic] Olas”, dijo King.

Las propiedades ondulatorias de la materia oscura pueden provocar comportamientos inesperados. En particular, investigaciones teóricas recientes sugieren que la densidad de la materia oscura dentro de los halos de las galaxias debería cambiar aleatoriamente, impactando galaxias enteras y potencialmente dejando pistas sutiles sobre la composición de la materia oscura.

«Piense en las olas del océano; vemos fluctuaciones en la superficie del océano todo el tiempo y evoluciona de manera impredecible», dijo King. «Lo mismo ocurre en los halos de materia oscura ultraligeros», añadió King, y las fluctuaciones resultantes podrían ampliar la distancia entre la Tierra y el Sol millones de veces.

Si la materia oscura es ultraligera y se comporta como una onda, entonces los científicos podrían detectar su movimiento con detectores de ondas gravitacionales.

Los detectores de ondas gravitacionales vienen al rescate

Impresión artística del detector espacial de ondas gravitacionales LISA, cuya construcción acaba de ser aprobada por la Agencia Espacial Europea. (Fuente de la imagen: EADS ASTRUM)

Según la teoría general de la relatividad de Einstein, las ondas gravitacionales son ondas en el tejido del espacio-tiempo.

Cuando una onda de este tipo pasa a través de un detector de ondas gravitacionales, cambia la geometría del espacio interior, cambiando temporalmente la distancia entre dos espejos u otros objetos similares colocados dentro del detector. Este pequeño cambio permite a los científicos detectar la presencia de ondas gravitacionales.

En su investigación, King demostró que esta distancia puede cambiarse no sólo por ondas gravitacionales sino también por ondas en movimiento de materia oscura, que pueden atraer espejos con sus campos gravitacionales, de manera muy similar a como la Tierra atrae objetos que la orbitan.

«Estas ondas se mueven aleatoriamente alrededor del sistema solar y bombardean constantemente los detectores de ondas gravitacionales», dijo King.

Para comprender si los detectores de ondas gravitacionales modernos podrían detectar teóricamente los efectos de la materia oscura ultraligera, King calculó cómo las partículas de materia oscura de diferentes tamaños perturban el espacio-tiempo. Kim debe explorar una amplia gama de masas: entre 16 y 28 órdenes de magnitud más pequeñas que la masa de un electrón.

Su análisis teórico sugiere que para todas estas masas, los detectores existentes como el Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferómetro Láser (LIGO), que ayudó a demostrar la existencia de ondas gravitacionales en 2015, no serían capaces de detectar las fluctuaciones de la materia oscura debido a su sensibilidad. demasiado baja. bajo.

Sin embargo, varios proyectos futuros de detectores de ondas gravitacionales se ubicarán en el espacio, y sus satélites no estarán separados por solo unos pocos kilómetros como la distancia entre los espejos LIGO, sino aproximadamente un millón de veces. Si esta distancia cambia aunque sea en una cantidad pequeña, la magnitud del cambio debería ser tan grande que el efecto de la materia oscura debería ser mensurable.

«Descubrí que los bombardeos de ondas de materia oscura pueden dejar señales únicas en los detectores de ondas gravitacionales, y que los futuros detectores espaciales podrían probar la hipótesis de la materia oscura ultraligera», dijo King. «Mi propuesta utiliza futuros detectores de ondas gravitacionales espaciales, como la Antena Espacial de Interferómetro Láser (LISA)».

Dado que LISA está previsto que se lance a mediados de la década de 2030, podría pasar más de una década antes de que se pruebe la teoría. Sin embargo, King añadió que mientras tanto puede haber otras formas de detectar los efectos de la materia oscura en el espacio-tiempo.

«Actualmente estoy estudiando la posibilidad de que las estrellas de neutrones giren rápidamente como otra forma de detectar tales fluctuaciones», dijo.

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