Una ilustración muestra un púlsar dentro de una nube de materia oscura.(Crédito de la imagen: Robert Lea (creado con Canva))La materia oscura, conocida como la materia más misteriosa del universo, es más rara en la Tierra que el oro, y eso a pesar de que la materia oscura supera a la «materia ordinaria» en una asombrosa proporción de cinco a uno.
El hallazgo es cortesía de científicos que proponen una forma novedosa de cartografiar la materia oscura utilizando el «bamboleo» de la Vía Láctea. Este bamboleo se debe a la influencia de las galaxias satélites de la Vía Láctea, como la Gran Nube de Magallanes (LMC), y de las estrellas de neutrones, o «púlsares», que giran rápidamente. Curiosamente, los púlsares actúan como «faros cósmicos» en el cosmos, barriendo haces de luz a través de enormes distancias.
De hecho, los trabajos anteriores del equipo han utilizado estas estrellas extremas, cuando orbitan alrededor de compañeras estelares en sistemas denominados «púlsares binarios», como sondas de materia oscura. Sin embargo, la nueva investigación de los científicos sugiere que los púlsares solitarios también podrían utilizarse en este tipo de investigaciones.
«Cuando comenzamos este trabajo en 2021 e hicimos la publicación de seguimiento el año pasado, nuestra muestra estaba compuesta por pares de púlsares de milisegundos, púlsares binarios de milisegundos», explica en un comunicado Sukanya Chakrabarti, de la Universidad de Alabama en Huntsville (UAH). «Sin embargo, la mayoría de los púlsares no están en parejas. La mayoría son solitarios. En este nuevo trabajo, mostramos cómo duplicar eficazmente el número de púlsares que podemos utilizar para restringir la materia oscura en la galaxia mediante el uso riguroso de púlsares solitarios para medir las aceleraciones galácticas».Por “restringir la materia oscura”, Chakrabarti se refiere a limitar las posibles propiedades y características de la materia oscura.
A medida que se recopilen más datos sobre las estrellas de neutrones, la medición de la aceleración gravitatoria de los púlsares binarios y de sus homólogos individuales podría arrojar luz sobre el campo gravitatorio de la Vía Láctea y, por tanto, sobre la forma y la distribución de la materia oscura en nuestra galaxia.
«Al tratarse de una muestra más amplia, ahora tenemos un gran avance», afirmó Chakrabarti. «El equipo descubrió que hay menos de 1 kilogramo (2,2 libras) de materia oscura en un volumen equivalente al de toda la Tierra. «Si lo comparamos con los millones de kilogramos de oro que se producen cada año, veremos que, libra por libra, la materia oscura es más valiosa que el oro». afirmó Chakrabarti.
Pegamento de materia oscura y galaxias tambaleantes
La materia oscura, que constituye alrededor del 85% de la materia total del universo, ha sido una especie de fenómeno problemático para los científicos porque no interactúa con la luz – o, si lo hace, esa interacción es demasiado débil para ser detectada con la tecnología actual.
Eso indica a los investigadores que la materia oscura no puede estar hecha de átomos como la materia cotidiana, porque las partículas que componen los átomos -electrones, protones y neutrones- sí interactúan con la luz.
(Crédito de la imagen: Robert Lea (creado con Canva))
La única forma de saber si la materia oscura existe es a través de su interacción con la gravedad y la influencia que esta interacción tiene sobre la luz y la materia cotidiana. De hecho, esta influencia es crucial. Si las galaxias no estuvieran repletas de materia oscura invisible, la influencia gravitatoria de su «materia cotidiana» -estrellas, planetas, nubes de polvo, etc.- no bastaría para impedir que se desintegraran al girar. Se cree que la materia oscura galáctica está muy concentrada en el centro de las galaxias, pero también se cree que forma una envoltura esférica que se extiende mucho más allá de los límites de la materia visible de una galaxia, lo que explica por qué la materia oscura puede ser menos común en una esfera del tamaño de la Tierra que el oro en nuestro planeta, pero aun así supera ampliamente en número a los átomos de todo tipo. El espacio es inmenso y la materia oscura está mucho más repartida por el universo que el oro u otros elementos.
Impresión artística del halo de materia oscura (azul) que rodea la Vía Láctea. (Crédito de la imagen: ESO/L. Calçada)
Chakrabarti explicó que, en su trabajo anterior, utilizó simulaciones por ordenador para demostrar que, cuando la Vía Láctea interactúa con sus galaxias satélite, las estrellas de nuestra galaxia sienten un tirón muy diferente de la gravedad dependiendo de si las estrellas están situadas por encima o por debajo de lo que se conoce como el «disco galáctico».La LMC es uno de los satélites galácticos enanos más grandes de la Vía Láctea, por ejemplo. Al orbitar alrededor de nuestra galaxia y pasar cerca de la Vía Láctea, puede atraer hacia sí parte de la masa del disco galáctico de la Vía Láctea, dando lugar a una galaxia asimétrica con más masa en un lado. Como resultado, Chakrabarti afirma que la gravedad se siente con más fuerza en un lado de la Vía Láctea.
«Es casi como si la galaxia se tambaleara – algo así como la forma en que camina un niño pequeño, aún no está totalmente equilibrada», continuó. Así que esta asimetría o efecto desproporcionado en las aceleraciones de los púlsares que surge de la atracción de la LMC es algo que esperábamos ver». «Aquí, con la muestra más grande de aceleraciones de púlsares, somos realmente capaces de medir este efecto por primera vez».
Faros cósmicos
Las pulsares, como todas las estrellas de neutrones, nacen cuando estrellas con una masa al menos ocho veces superior a la del Sol agotan el combustible necesario para la fusión nuclear y ya no pueden sostenerse por sí mismas contra el empuje de su propia gravedad.
Esto deja un remanente estelar con entre una y dos veces la masa del sol condensada en una anchura de unas 12 millas (20 kilómetros). Esto significa que las estrellas de neutrones están compuestas por la materia más densa del universo conocido. Si se recogiera una cucharadita de materia de neutrones y se trajera a la Tierra, por ejemplo, pesaría 10 millones de toneladas. Esto equivale a apilar 85.000 ballenas azules en una cucharadita.
Una cucharadita de materia de estrella de neutrones equivale a unas 85.000 ballenas azules. (Crédito de la imagen: Robert Lea (creado con Canva))
La rápida reducción del tamaño de los núcleos de las estrellas masivas tiene otra consecuencia: acelera la estrella de neutrones hasta tasas de rotación que pueden alcanzar las 700 vueltas por segundo. Piensa que esto es como el equivalente cósmico de un patinador sobre hielo que estira los brazos para aumentar su velocidad de giro.
Por suerte para los científicos, este rápido giro y su precisa frecuencia convierten a los púlsares en excelentes mecanismos de cronometraje.
Los pulsares y otras estrellas de neutrones jóvenes también destacan por poseer algunos de los campos magnéticos más potentes del universo conocido.
«El campo magnético increíblemente fuerte de los púlsares se retuerce y se enrolla sobre sí mismo a medida que el púlsar gira, lo que provoca una especie de fricción, como si nos frotáramos las manos», explica en el comunicado Tom Donlon, miembro del equipo y asociado postdoctoral de la UAH. «Los púlsares también emiten partículas a velocidades muy elevadas, que desprenden energía. Estos efectos [conocidos como frenado magnético] hacen que el púlsar gire más lentamente a medida que pasa el tiempo.»
Una ilustración muestra un magnetar rodeado de líneas de campo magnético verdes (Crédito de la imagen: Robert Lea (creado con Canva))
El campo magnético de un púlsar captura las partículas expulsadas y luego las arroja a medida que la estrella de neutrones gira. Estas partículas, que se dispersan en forma de «viento estelar», también se llevan el momento angular, ralentizando el giro del púlsar, o haciendo que gire hacia abajo. El proceso de reducción del giro es clave en la investigación del equipo.
«Debido a este giro hacia abajo, inicialmente nos vimos obligados a utilizar sólo púlsares en sistemas binarios para calcular las aceleraciones porque las órbitas no se ven afectadas por el frenado magnético», dijo Donlon. «Con nuestra nueva técnica, somos capaces de estimar la cantidad de frenado magnético con gran precisión, lo que nos permite utilizar también púlsares individuales para obtener aceleraciones.»
Usando esta técnica y el exceso de datos que proporciona, los investigadores deberían ser capaces de determinar mejor cómo se distribuye la materia oscura a través de nuestra galaxia a medida que se recopilen más datos.
«En esencia, estas nuevas técnicas permiten ahora medir aceleraciones muy pequeñas que surgen de la atracción de la materia oscura en la galaxia», dijo Chakrabarti. «En la comunidad astronómica, hace tiempo que podemos medir las grandes aceleraciones producidas por agujeros negros alrededor de estrellas visibles y estrellas cercanas al centro galáctico». «Ahora podemos ir más allá de la medición de grandes aceleraciones y medir aceleraciones minúsculas de unos 10 centímetros por segundo cada década; 10 centímetros por segundo es la velocidad de un bebé que gatea». La investigación del equipo está disponible como artículo revisado previamente en el sitio de repositorio de artículos arXiv.
