Las ondas gravitacionales podrían revelar la materia oscura oculta en agujeros negros

Científicos de la Universidad de Ámsterdam presentaron un innovador enfoque para utilizar las ondas gravitacionales generadas por agujeros negros con el fin de descubrir la presencia de materia oscura y comprender mejor su comportamiento. Este método se basa en un modelo teórico detallado fundamentado en la teoría de la relatividad general de Einstein, que describe cómo un agujero negro interactúa con el material en su entorno inmediato, incluyendo la materia oscura que no puede ser observada directamente.

La investigación fue realizada por Rodrigo Vicente, Theophanes K. Karydas y Gianfranco Bertone del Instituto de Física de la UvA y el centro de excelencia GRAPPA para la Gravitación y la Física de Astropartículas en Ámsterdam. Los hallazgos fueron publicados en la revista Physical Review Letters. En el estudio, el equipo presentó un método más avanzado para calcular cómo la materia oscura que rodea a los agujeros negros altera sutilmente las ondas gravitacionales que esos sistemas producen.

Inspirales de Masa Extremadamente Desigual y Señales Gravitacionales Largas

El estudio se centró en una clase de sistemas conocidos como inspirales de masa extremadamente desigual, o EMRIs. Estos ocurren cuando un objeto pequeño y denso, como un agujero negro formado por el colapso de una estrella, orbita alrededor de un agujero negro mucho más grande, generalmente ubicado en el centro de una galaxia. Con el tiempo, el objeto más pequeño espiraliza hacia adentro, emitiendo ondas gravitacionales durante este lento descenso.

Las próximas misiones espaciales, incluida la antena espacial LISA de la Agencia Espacial Europea, programada para lanzarse en 2035, se espera que observe estas señales durante períodos muy prolongados. Algunos eventos de EMRI podrían ser rastreados durante meses o incluso años, cubriendo cientos de miles a millones de órbitas individuales. Cuando los científicos pueden modelar estas señales con alta precisión, los datos resultantes actúan como "huellas dactilares cósmicas" detalladas que revelan cómo está organizada la materia cerca de los agujeros negros masivos, incluyendo la materia oscura, que se cree que constituye la mayor parte de la materia en el universo.

Importancia de un Modelo Totalmente Relativista

Antes de que observatorios como LISA comiencen a recopilar datos, los investigadores deben comprender de antemano qué tipos de patrones de ondas gravitacionales deberían esperar y cómo interpretarlos. Hasta ahora, muchos estudios han utilizado modelos simplificados que solo describen de manera aproximada cómo el entorno circundante influye en los EMRIs. Según los autores, estas aproximaciones omiten efectos físicos importantes.

El nuevo trabajo aborda esta limitación al introducir el primer marco totalmente relativista para una amplia gama de entornos posibles. Esto significa que los cálculos se basan completamente en la teoría de la gravedad de Einstein en lugar de aproximaciones newtonianas simplificadas. Como resultado, el modelo puede describir con mayor precisión cómo la materia alrededor de un agujero negro masivo cambia la órbita del objeto más pequeño y remodela las ondas gravitacionales que se emiten.

Picos de Materia Oscura y Huellas Detectables

Un enfoque clave del estudio se centra en las regiones densas de materia oscura que pueden formarse alrededor de agujeros negros masivos. Estas concentraciones a menudo se denominan "picos" o "montículos". Al incorporar su modelo relativista en los cálculos modernos de formas de onda gravitacionales, los investigadores demostraron que tales estructuras de materia oscura dejarían firmas distintivas y medibles en las señales detectadas por futuros observatorios.

Los autores describen esta investigación como un paso esencial hacia un objetivo científico más amplio. Con el tiempo, esperan que las ondas gravitacionales puedan utilizarse para trazar cómo se distribuye la materia oscura en todo el universo y proporcionar nuevas perspectivas sobre su naturaleza fundamental.

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