Un equipo de físicos de las universidades de Ámsterdam, Princeton y Oxford ha demostrado que en grandes nubes alrededor de estrellas de neutrones pueden aparecer partículas extremadamente ligeras conocidas como ejes. Estos ejes pueden proporcionar una explicación para la esquiva materia oscura que buscan los cosmólogos y, además, puede que no sean demasiado difíciles de observar.
A principios de esta semana, el nuevo estudio fue publicado en la revista Exploración física x. El artículo es una continuación de un trabajo anterior, en el que los autores también estudiaron axones y estrellas de neutrones, pero desde una perspectiva completamente diferente. Ejes que investigaron durante su trabajo anterior. el escape Las estrellas de neutrones en las que ahora se centran los investigadores son aquellas que quedan atrás: los ejes que son capturados por la gravedad de la estrella. Con el tiempo, estas partículas deberían formar gradualmente una nube de humo alrededor de la estrella de neutrones, y resulta que estas nubes axilares se pueden observar bien con nuestros telescopios. Pero ¿por qué los astrónomos y los físicos estarían tan interesados en las nubes borrosas que rodean estrellas distantes?
Eje: Del jabón a la materia oscura
Protones, neutrones, electrones, fotones: la mayoría de nosotros estamos familiarizados con al menos algunos de los nombres de estas pequeñas partículas. El eje es menos conocido, y por una buena razón: ahora mismo es el único especulativo tipo de partícula, una que nadie ha identificado todavía. Su existencia, que lleva el nombre de una marca de jabón, se planteó por primera vez en la década de 1970, para aclarar un problema (de ahí la referencia al jabón) en una partícula que podemos observar muy bien dentro de nuestro entendimiento: el neutrón. Sin embargo, aunque son muy bonitos en teoría, si estos ejes existieran serían extremadamente débiles, lo que los haría muy difíciles de detectar en experimentos u observaciones.
Hoy en día, los ejes también son conocidos como uno de los principales candidatos para explicar la materia oscura, uno de los mayores misterios de la física contemporánea. Muchas pruebas diferentes sugieren que alrededor del 85% de la materia de nuestro universo es “materia oscura”, lo que simplemente significa que no está formada por ninguna materia que conozcamos y podamos observar actualmente. En cambio, la existencia de la materia oscura sólo se infiere indirectamente del efecto gravitacional que ejerce sobre la materia visible. Afortunadamente, esto no significa automáticamente que la materia oscura no tenga otras interacciones con la materia visible, pero si tales interacciones existen, su fuerza debe ser pequeña. Como sugiere el nombre, cualquier candidato viable a materia oscura es increíblemente difícil de observar directamente.
Al juntar uno y uno, los físicos se dieron cuenta de que la materia oscura podría ser justo lo que buscaban para resolver el problema. Una partícula que aún no ha sido observada, que sería extremadamente ligera y que tendría interacciones muy débiles con otras partículas… ¿Podrían los ejes ser al menos parte de la explicación de la materia oscura?
Estrellas de neutrones como lupas
La idea de los axiomas como partículas de materia oscura es agradable, pero una idea en física sólo es realmente agradable si tiene consecuencias observables. Después de todo, ¿habría alguna manera de observar las hachas cincuenta años después de que se sugirió por primera vez su posible existencia?
Cuando se exponen a campos eléctricos y magnéticos, se espera que los axones puedan convertirse en fotones (partículas de luz) y viceversa. La luz es algo que sabemos observar, pero como se mencionó, la energía de interacción correspondiente debería ser muy baja y así sería normalmente la cantidad de luz producida por los axones. Es decir, a menos que se considere un entorno en el que exista una cantidad realmente grande de fuerza axial, idealmente un campo electromagnético muy fuerte.
Esto llevó a los investigadores a considerar las estrellas de neutrones, las estrellas más densas conocidas en nuestro universo. Este objeto tiene la misma masa que nuestro Sol pero está comprimido formando una estrella de entre 12 y 15 kilómetros de tamaño. Concentraciones tan extremas crean un entorno igualmente extremo que, sorprendentemente, también contiene enormes campos magnéticos, miles de millones de veces más fuertes que los que encontramos en la Tierra. Estudios recientes han demostrado que si el eje existe, estos campos magnéticos permiten que las estrellas de neutrones produzcan en masa estas partículas cerca de sus superficies.
Los que se quedan atrás
En su trabajo anterior, los autores se centraron en los axones que escapan de la estrella después de la producción: calcularon en qué medida se producirían estos axones, las trayectorias que seguirían y cómo su transición a la luz podría ser una transición débil pero potencialmente uno difícil. señal observable. Esta vez, consideran los axones que no logran escapar: aquellos que, a pesar de su pequeña masa, son capturados por la enorme gravedad de la estrella de neutrones.
Debido a las interacciones muy débiles en el eje, estas partículas permanecerán y se acumularán alrededor de la estrella de neutrones en escalas de tiempo de hasta millones de años. Esto puede dar como resultado nubes muy densas de axones alrededor de estrellas de neutrones, lo que brinda nuevas oportunidades increíbles para la investigación de axones. En su artículo, los investigadores estudian la formación, las propiedades y la evolución posterior de estas nubes axilares, indicando que deberían existir y en muchos casos deben existir. De hecho, los autores sostienen que si existen ejes, los ejes deberían ser nubes. general (Para una amplia gama de propiedades de las auxinas, deberían formarse alrededor de la mayoría, si no de todas, las estrellas de neutrones), generalmente deberían ser demasiado grueso (lo que la hace quizás veinte órdenes de magnitud más densa que la densidad de la materia oscura local), y debido a esto deben ser Firma observacional fuerte. Este último potencialmente se presenta en muchas formas, de las cuales los autores analizan dos: una señal continua emitida durante una gran parte de la vida de una estrella de neutrones, pero un estallido de luz único cerca del final de la vida de una estrella de neutrones, cuando deja de producir . Su radiación electromagnética. Ambas firmas pueden observarse y utilizarse para investigar interacciones entre axones y fotones más allá de los límites actuales, incluso utilizando los radiotelescopios existentes.
¿Qué sigue?
Aunque hasta ahora no se han observado nubes de ejes, con los nuevos resultados sabemos con mucha precisión qué buscar, lo que hace mucho más factible una búsqueda exhaustiva de ejes. Si bien el tema principal de la lista de tareas pendientes es “la búsqueda de la nube Axion”, el trabajo también abre una serie de nuevas vías teóricas para explorar.
Por un lado, uno de los autores ya está involucrado en un trabajo de seguimiento que estudia cómo las nubes axiales pueden alterar la dinámica de las estrellas de neutrones. Otra importante dirección de investigación futura es el modelado numérico de la Nube Axion: el artículo actual muestra un gran potencial de descubrimiento, pero se necesita más modelado numérico para saber con mayor precisión qué buscar y dónde. Finalmente, los resultados actuales son todos para estrellas de neutrones individuales, pero muchas de estas estrellas aparecen como componentes de binarias, a veces junto con otra estrella de neutrones, a veces junto con un agujero negro. Sería muy valioso comprender la física de las nubes de axinas en tales sistemas y, potencialmente, su señal de observación.
Por tanto, el presente trabajo es un paso importante en una nueva y apasionante dirección de investigación. Una comprensión completa de la nube Axin requerirá esfuerzos complementarios de múltiples disciplinas, incluida la (astro)física de partículas, la física del plasma y la radioastronomía observacional. Este trabajo abre este nuevo campo interdisciplinario con muchas oportunidades para futuras investigaciones.