La captura y aniquilación de la materia oscura puede calentar viejas estrellas de neutrones aisladas, dicen los físicos

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 han calculado que la energía transferida cuando las partículas de materia oscura chocan y se aniquilan en el interior de estrellas de neutrones frías puede calentar estrellas muy rápidamente; Anteriormente se pensaba que esta transferencia de energía podría llevar mucho tiempo, en algunos casos más que la edad del Universo, lo que hacía innecesario este calentamiento.

Impresión artística de una estrella de neutrones.

Últimamente se ha trabajado mucho para capturar la materia oscura en estrellas de neutrones como una sonda sensible de las interacciones de la materia oscura con la materia ordinaria.

Potencialmente, esto puede usarse para probar interacciones con la materia oscura de una manera muy complementaria a los experimentos en la Tierra, especialmente porque la materia oscura se acelera a velocidades relativistas cuando cae hacia una estrella de neutrones.

En algunos casos, las técnicas de estrellas de neutrones podrían potencialmente investigar interacciones que serían difíciles o imposibles de observar en experimentos directos de detección de materia oscura. Esto incluye materia oscura que es demasiado ligera para dejar una señal detectable en experimentos de retroceso nuclear, o interacciones en las que la sección transversal de dispersión no relativista se suprime en términos de impulso.

Recientemente se señaló que las viejas estrellas de neutrones aisladas en la vecindad solar podrían calentarse mediante la captura de materia oscura, lo que provocaría un aumento de temperatura de 2000 K.

A edades superiores a los 10 millones de años, se espera que las estrellas de neutrones aisladas se enfríen a temperaturas más bajas, siempre que no se calienten mediante acreción de materia estándar o mecanismos de calentamiento interno.

Como resultado, la observación de una estrella de neutrones local podría imponer estrictas limitaciones a las interacciones con 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 depositaría en sólo unos días», afirmó la profesora Nicole Bell de la Universidad de Melbourne, primera autora del estudio.

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

“La materia oscura representa el 85% de la materia de nuestro Universo y, sin embargo, no podemos verla. »

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

«Esto significa que nuestros telescopios no pueden observarlo directamente, aunque sepamos que existe».

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

«Una cosa es predecir la materia oscura teóricamente, pero otra es observarla experimentalmente».

«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 enormes detectores naturales de materia oscura, recogiendo materia oscura durante períodos astronómicamente largos, por lo que son un buen lugar para centrar nuestros esfuerzos».

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

“Tienen una masa similar a la de nuestro Sol, formando una bola de sólo 20 kilómetros de ancho. Cuanto más densos fueran, más agujeros negros se convertirían. »

“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 mucho 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 conduciría a una acumulación de materia oscura en la estrella».

«Esto debería calentar estrellas de neutrones viejas y frías a un nivel que podría estar al alcance de futuras observaciones, o incluso desencadenar el colapso de la estrella en un agujero negro», dijo el doctor de la Universidad de Melbourne. candidato Michael Virgato, 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 dentro de la estrella, transfiriendo cada vez más energía de la materia oscura hasta que, finalmente, toda la energía se deposita en la estrella».

«No estaba claro cuánto tiempo tomaría este proceso, porque a medida que la energía de las partículas de materia oscura se vuelve cada vez más pequeña, es cada vez menos probable que vuelvan a interactuar».

“Como resultado, se pensaba que la transferencia de toda la energía llevaba mucho tiempo, 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 potencialmente detectable», dijo Virgato.

“Como resultado, observar una estrella de neutrones fría proporcionaría información vital sobre las interacciones entre la materia oscura y la materia ordinaria, arrojando luz sobre la naturaleza de esta sustancia esquiva. »

«Si queremos comprender la materia oscura, que está en todas partes, es esencial que utilicemos todas las técnicas a nuestra disposición para comprender qué es realmente la materia oculta en nuestro Universo».

EL estudiar fue publicado en el Revista de cosmología y física de astropartículas.

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Nicole F. Bell y otros. 2024. Termalización y aniquilación de la materia oscura en estrellas de neutrones. JCAP 04, 006; doi: 10.1088/1475-7516/2024/04/006