Científicos de la Universidad de Ámsterdam han sido pioneros en un método innovador para utilizar ondas gravitacionales producidas por agujeros negros para investigar la naturaleza esquiva de la materia oscura. Esta innovadora técnica se basa en un modelo teórico avanzado basado en la teoría de la relatividad general de Einstein, que describe con precisión las interacciones entre los agujeros negros y su entorno, incluida la materia oscura invisible, que no puede detectarse por medios convencionales.
Un equipo de investigación formado por Rodrigo Vicente, Theophanes K. Karidas y Gianfranco Bertone, afiliado al Instituto de Física de la UvA y al Centro GRAPPA de Física de Gravitación y Astropartículas, publicó sus hallazgos en la revista Amsterdam. Cartas de revisión física. Su estudio introduce un marco sofisticado para cuantificar el efecto sutil que tiene la materia oscura sobre las ondas gravitacionales emitidas por los agujeros negros.
El foco de su investigación está en una clase específica de fenómenos astronómicos conocidos como impulsos extremos de relación de masa (EMRI). Los EMRI se caracterizan por la interacción gravitacional entre un objeto pequeño y denso (es decir, un agujero negro de fuente estelar) y un agujero negro significativamente más grande, generalmente en el centro de una galaxia. A medida que el agujero negro más pequeño orbita alrededor del más grande, gira gradualmente hacia adentro, generando ondas gravitacionales a lo largo de este descenso.
Se espera que las próximas misiones espaciales, incluida la antena espacial LISA de la Agencia Espacial Europea cuyo lanzamiento está previsto para 2035, capturen estas ondas durante períodos prolongados. Algunos eventos EMRI pueden monitorearse durante meses o incluso años, observando cientos de miles a millones de órbitas individuales. Al crear modelos precisos de estas señales gravitacionales, los científicos pueden decodificar “huellas dactilares cósmicas” detalladas que indican la disposición espacial de la materia cerca de los agujeros negros supermasivos, incluida la materia oscura que constituye la mayor parte de la materia del universo.
Un aspecto importante del estudio es la introducción de un modelo totalmente relativista, que supone un avance significativo con respecto a investigaciones anteriores basadas en aproximaciones simplificadas. Estos modelos anteriores no han captado adecuadamente las complejidades de cómo el entorno afecta a los EMRI. El nuevo trabajo aborda esta brecha proporcionando un marco integral que se adhiere plenamente a los principios de la relatividad general, permitiendo una descripción más precisa de cómo la materia circundante cambia la órbita de un objeto pequeño y altera las ondas gravitacionales emitidas.
Un tema central de la investigación es la búsqueda de regiones densas de materia oscura, a menudo llamadas “picos” o “duffs”, que se fusionan alrededor de agujeros negros supermasivos. Los investigadores demostraron que la incorporación de su modelo relativista a los cálculos contemporáneos de ondas gravitacionales podría revelar firmas distintivas y mensurables de estas estructuras de materia oscura en señales detectables por futuros observatorios.
Los autores consideran este trabajo un hito clave en una ambición científica más amplia: utilizar ondas gravitacionales para mapear la distribución de la materia oscura en todo el universo y obtener conocimientos más profundos sobre sus propiedades fundamentales. Este enfoque no sólo mejora nuestra comprensión de la materia oscura sino que también amplía el potencial de la astronomía de ondas gravitacionales para desentrañar los misterios del cosmos.
