Las sorprendentes estrellas de materia oscura que traen de cabeza a expertos

Existe un tipo de materia que representa alrededor del 27% de la energía total contenida en el universo y cuya influencia gravitatoria altera cómo rotan las estrellas alrededor del núcleo de las galaxias. Sin embargo, su naturaleza aún es completamente desconocida porque no emite luz ni interactúa con ningún tipo de radiación electromagnética. Dicho de otra manera: resulta completamente invisible. De ahí que se conozca con el nombre de materia oscura.

Un nuevo estudio ha intentado arrojar luz sobre el asunto evaluando la posibilidad de que uno de los cuerpos celestes involucrados en una emisión de ondas gravitacionales esté hecho, al menos en parte, de materia oscura.

Los hipotéticos «axiones»

El marco teórico que mejor ha conseguido describir la realidad hasta la fecha es el modelo estándar. Este modelo parte de la base de que todo está hecho de distintos tipos de partículas fundamentales. Algunas de esas partículas son la base de la materia que nos compone y rodea (los electrones y los quarks), otras median las interacciones entre las cuatro fuerzas fundamentales que rigen el universo (como los bosones W y Z, los fotones y los gluones) y otras surgen como resultado de distintas reacciones nucleares (como los neutrinos).

Pero es posible que el modelo estándar no esté completo. Por ejemplo, aún no se han detectado señales de la existencia de la hipotética partícula que mediaría las interacciones gravitatorias, el gravitón. Y otro tipo de partícula fundamental que podría estar pendiente de descubrir es el axión, cuya existencia ayudaría a solucionar varias inexactitudes de algunos modelos físicos actuales. Eso se debe a que estas partículas podrían representar al menos una parte de la elusiva materia oscura.

Unos cuerpos celestes en los que podrían abundar los axiones son las también hipotéticas estrellas de bosones. Estas estrellas densas y compactas serían transparentes e invisibles porque no estarían hechas de materia ordinaria, sino de partículas que no interactúan con la luz. Aun así, podríamos percibirlas gracias a que la intensa gravedad de estos objetos desviaría la luz que pasa por sus inmediaciones, igual que los agujeros negros.

Pues, bien, se ha postulado que algunas de estas estrellas de bosones podrían haber absorbido de su entorno grandes cantidades de materia oscura. Por tanto, estas estrellas podrían ser un buen lugar en el que buscar los hipotéticos axiones.

Una colisión inusual

En 2019, el instrumento LIGO detectó una señal de ondas gravitacionales proveniente de una fuente localizada a una distancia de unos 790 millones de años-luz. El análisis de las ondas reveló que habían sido producidas por la colisión de dos objetos con masas 23 y 2,6 veces superiores a la del Sol, respectivamente. El más masivo es claramente un agujero negro, pero la naturaleza del más ligero no está tan clara: su masa se encuentra en la frontera entre la de los agujeros negros y la de las estrellas de neutrones.

El hecho de que el evento no produjese ningún tipo de señal luminosa indica que el evento debió ser una colisión de agujeros negros o que el agujero negro se tragó la estrella de neutrones. El problema de estos dos escenarios es que el objeto de 2,6 masas solares sería la estrella de neutrones más pesada o el agujero negro más ligero jamás descubiertos. Y la formación de cualquiera de los dos resulta muy difícil de explicar.

Pero existe una tercera opción: también se ha especulado que el objeto de 2,6 masas solares podría ser algún tipo de estrella hecha de materia exótica, incluyendo un astro hecho parcial o totalmente de axiones. Y los autores de un nuevo estudio han intentado averiguar si esta hipótesis podría arrojar algo de luz sobre la esquiva materia oscura.

¿Una estrella de materia oscura?

En el estudio se han analizado dos posibilidades: que el objeto misterioso sea una estrella de neutrones mezclada con materia oscura en forma de axiones o que se trate de un cuerpo celeste compuesto de manera parcial o total por algún tipo de partícula parecida a los axiones.

Considerando el radio, la masa y la estabilidad que tendría cada uno de estos objetos, los autores del estudio han llegado a la conclusión de que las partículas exóticas del objeto misterioso pertenecerían a un rango de energías que no encaja con el que se ha hipotetizado para los axiones. Por tanto, el cuerpo celeste de 2,6 masas solares que fue engullido por un agujero negro no apoya la posibilidad de que la materia oscura esté hecha de axiones.

Sin embargo, las características de esta estrella misteriosa sí que son compatibles con las de una estrella de neutrones que estuviera enriquecida con una partícula similar a los axiones e incluso encajarían con las de una estrella hecha puramente de partículas parecidas a los axiones. Eso significa que la caza de nuevas partículas desconocidas en la actualidad aún puede dar sus frutos.

QUE NO TE LA CUELEN:

• Una de las múltiples hipótesis que tratan de explicar la naturaleza de la materia oscura sugiere que esta sustancia misteriosa no existe y que, en realidad, las galaxias parecen comportarse de manera distinta a la que esperamos porque nuestros modelos físicos actuales no están completos. Sin embargo, las evidencias apuntan a que ese no es el caso y que la masa de la materia oscura es la causante de esas discrepancias.

REFERENCIAS (MLA):

• Billy K. K. Lee et al. “Could the GW190814 Secondary Component Be a Bosonic Dark Matter Admixed Compact Star?”. The Astrophysical Journal, vol. 922, núm. 2 (2021).