Astrofísicos definen restricciones en materia oscura compacta a partir de microlentes de ondas gravitacionales

La existencia de la materia oscura sigue siendo uno de los mayores misterios del universo. Si bien los estudios han insinuado indirectamente su existencia, su naturaleza invisible hace que esta escurridiza sustancia sea muy difícil de detectar, por lo que su composición sigue siendo desconocida.

La materia oscura podría consistir en partículas fundamentales y exóticas aún por descubrir. Alternativamente, podría consistir en muchos objetos masivos y compactos, como los objetos primordiales. agujeros negros (es decir, agujeros negros formados en el universo primitivo).

Durante las últimas décadas, muchos equipos de científicos de todo el mundo han buscado materia oscura utilizando multitud de técnicas, telescopios, detectores y datos de observación. Aunque la mayor parte de esta investigación no tuvo éxito, ayudó a enfocar y refinar la investigación posterior.

Investigadores del Centro Internacional de Estudios Teóricos del Instituto Tata para la Investigación Básica en Bangalore, India, establecieron recientemente nuevas restricciones en la fracción de materia oscura compacta de la microlente de ondas gravitacionales. Su artículo, publicado en Cartas del Diario Astrofísicointroduce una nueva forma de investigar la naturaleza de la materia oscura mediante la búsqueda de efectos de microlente en ondas gravitacionales.

«Según la teoría de la relatividad general de Einstein, los objetos masivos desvían la luz como lo hacen las lentes ópticas normales», dijo a Phys.org Parameswaran Ajith, uno de los investigadores que realizó el estudio. «Los objetos masivos, como los agujeros negros que se encuentran entre la fuente astronómica y el observador, pueden amplificar la fuente. Este fenómeno, llamado microlente gravitacionalse ha convertido en una poderosa herramienta para los astrónomos».

A pesar de los considerables esfuerzos de investigación en el campo, los astrónomos hasta ahora no han podido observar los efectos de microlente producidos por los agujeros negros. Esto sugiere que los agujeros negros mucho más ligeros que el Sol, que producirían la microlente de luz, son raros.

«Incluso si estos agujeros negros existen, probablemente solo constituyan una fracción muy pequeña de materia oscura», dijo Ajith. «La teoría predice que las ondas gravitacionales también serán reflejadas de la misma manera. Si agujeros negros primordiales que son mucho más masivos que el sol son abundantes en el universo, distorsionarán las ondas gravitacionales».

Límites superiores de la fracción de materia oscura en forma de objetos compactos obtenidos por este estudio. La masa del agujero negro se representa en el eje horizontal. Tres regiones de exclusión diferentes corresponden a tres supuestos modelos de distribución de agujeros negros binarios en el universo. Las líneas discontinuas muestran algunas de las limitaciones existentes de la estabilidad de las microlentes (SN) y las binarias anchas (WB) de las supernovas. Crédito: Cartas del Diario Astrofísico (2022). DOI: 10.3847/2041-8213/ac4dfa

En 2003, algunos físicos teóricos calcularon con precisión la naturaleza de las distorsiones de las ondas gravitacionales. Casi dos décadas después, Sunghoon Jung y Chang Sub Shin, dos científicos de la Universidad Nacional de Seúl y el Centro IBS de Física Teórica del Universo, sugirieron que la no observación de estas distorsiones por parte de LIGO y Virgo podría ayudar a limitar la abundancia de agujeros negros significativamente más masivos que el sol.

El artículo reciente de Ajith y sus colegas se basa en este trabajo anterior. El trabajo del equipo se basa en la hipótesis de que si una fracción significativa de la materia oscura estuviera compuesta de objetos compactos, estos objetos provocarían efectos de microlente en las señales de ondas gravitacionales detectadas periódicamente por los detectores LIGO y Virgo.

«En 2018, junto con colegas de la colaboración LIGO-Virgo, tuvimos buscar en busca de firmas de tales distorsiones en las señales de ondas gravitacionales observadas por LIGO y Virgo y no encontraron ninguna», dijo Ajith. «Sin embargo, dado que LIGO y Virgo solo habían observado 10 señales de ondas gravitacionales, nuestra expectativa previa de encontrar tales distorsiones era moo».

Recientemente, LIGO-Virgo Collaboration anunció un nulo similar resultados de su tercera campaña de observación. “Además, Ajith y sus colegas analizaron de forma independiente las ondas gravitacionales que un grupo del Instituto de Estudios Avanzados (IAS) de Princeton había descubierto en los datos de LIGO-Virgo. En total, analizaron más de 50 eventos de ondas gravitacionales.

Si bien los investigadores no pudieron observar distorsiones de microlente en ninguna de las señales que analizaron, sus análisis les permitieron definir restricciones adicionales en la materia oscura compacta. En otras palabras, restringieron la fracción de materia oscura que son agujeros negros masivos.

«Las limitaciones que hemos tenido hasta ahora son bastante modestas», dijo Ajith. «Todo lo que podemos decir es que no más del 50% de la materia oscura está en forma de agujeros negros masivos, lo cual no es información nueva. Sin embargo, en los próximos años, LIGO y Virgo deberían observar cientos o incluso miles de ondas gravitacionales». señales Estas observaciones nos permitirán mejorar significativamente estas restricciones «.

En el futuro, Ajith y sus colegas planean analizar todos los nuevos eventos de ondas gravitacionales registrados por los detectores LIGO-Virgo. Además, esperan que su trabajo reciente inspire a otros equipos a usar el microlente ondas gravitacionales para estudiar la naturaleza materia negra.

“Como parte de la colaboración LIGO-Virgo, estamos analizando todas las señales de ondas gravitacionales detectadas por LIGO y Virgo durante sus últimos tres períodos de observación (un total de casi 100 eventos)”, agregó Ajith. «Esto mejorará un poco la restricción. Sin embargo, esperamos analizar los datos de la próxima campaña de observación, donde se espera que LIGO y Virgo observen cientos de señales de ondas gravitacionales».

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