¿Qué tan rápido está girando la materia oscura cerca de la Tierra? La velocidad de la materia oscura tiene consecuencias de gran alcance para la investigación astrofísica moderna, pero esta propiedad fundamental ha eludido a los investigadores durante años.

En un artículo publicado el 22 de enero en la revista Cartas de revisión física , un equipo internacional de astrofísicos proporcionó la primera pista:la solución a este misterio, resulta, se encuentra entre algunas de las estrellas más antiguas de la galaxia.

"Esencialmente, estas viejas estrellas actúan como velocímetros visibles para la materia oscura invisible, midiendo su distribución de velocidad cerca de la Tierra, "dijo Mariangela Lisanti, profesor asistente de física en la Universidad de Princeton. "Puedes pensar en las estrellas más antiguas como un trazador luminoso de la materia oscura. La materia oscura en sí misma nunca la veremos, porque no emite luz en ningún grado observable, simplemente es invisible para nosotros, por eso ha sido tan difícil decir algo concreto al respecto ".

Para determinar qué estrellas se comportan como las partículas de materia oscura invisibles e indetectables, Lisanti y sus colegas recurrieron a una simulación por computadora, Eris, que usa supercomputadoras para replicar la física de la Vía Láctea, incluida la materia oscura.

"Nuestra hipótesis era que hay un subconjunto de estrellas que, por alguna razón, coincidirá con los movimientos de la materia oscura, "dijo Jonah Herzog-Arbeitman, un pregrado y un coautor del artículo. Su trabajo con Lisanti y sus colegas el verano después de su primer año en Princeton se convirtió en uno de sus artículos juveniles y contribuyó a este artículo de revista.

Herzog-Arbeitman y Lina Necib en el Instituto de Tecnología de California, otro coautor del artículo, generó numerosos gráficos a partir de datos de Eris que compararon varias propiedades de la materia oscura con las propiedades de diferentes subconjuntos de estrellas.

Su gran avance se produjo cuando compararon la velocidad de la materia oscura con la de las estrellas con diferentes "metalicidades, "o proporciones de metales pesados ​​a elementos más ligeros.

La curva que representa la materia oscura coincidía a la perfección con las estrellas que tienen menos metales pesados:"Vimos todo alineado, "Dijo Lisanti.

"Fue uno de esos grandes ejemplos de una idea bastante razonable que funciona muy bien, ", Dijo Herzog-Arbeitman.

Los astrónomos han sabido durante décadas que la metalicidad puede servir como un proxy de la edad de una estrella, ya que los metales y otros elementos pesados ​​se forman en supernovas y las fusiones de estrellas de neutrones. Las pequeñas galaxias que se fusionaron con la Vía Láctea suelen tener comparativamente menos de estos elementos pesados.

En retrospectiva, la correlación entre la materia oscura y las estrellas más antiguas no debería sorprendernos, dijo Necib. "La materia oscura y estas viejas estrellas tienen las mismas condiciones iniciales:comenzaron en el mismo lugar y tienen las mismas propiedades ... así que al final del día, tiene sentido que ambos actúen solo a través de la gravedad, " ella dijo.

Por que importa

Desde el 2009, los investigadores han estado tratando de observar la materia oscura directamente, colocando material muy denso, a menudo xenón, a gran profundidad bajo tierra y esperando que la materia oscura que fluye a través del planeta interactúe con él.

Lisanti comparó estos experimentos de "detección directa" con un juego de billar:"Cuando una partícula de materia oscura se dispersa de un núcleo en un átomo, la colisión es similar a dos bolas de billar que se golpean entre sí. Si la partícula de materia oscura es mucho menos masiva que el núcleo, entonces el núcleo no se moverá mucho después de la colisión, lo que hace que sea muy difícil darse cuenta de que pasó algo ".

Por eso es tan importante limitar la velocidad de la materia oscura, Ella explicó. Si las partículas de materia oscura son lentas y ligeras, es posible que no tengan suficiente energía cinética para mover las "bolas de billar" nucleares en absoluto, incluso si chocan directamente contra uno.

"Pero si la materia oscura se mueve más rápido, va a tener más energía cinética. Eso puede aumentar la posibilidad de que en esa colisión, el retroceso del núcleo va a ser mayor, para que puedas verlo "Dijo Lisanti.

Originalmente, los científicos esperaban ver suficientes interacciones de partículas (suficientes bolas de billar en movimiento) para poder derivar la masa y la velocidad de las partículas de materia oscura. Pero, Lisanti dijo:"No hemos visto nada todavía".

Entonces, en lugar de usar las interacciones para determinar la velocidad, investigadores como Lisanti y sus colegas esperan cambiar el guión, y use la velocidad para explicar por qué los experimentos de detección directa aún no han detectado nada.

El fracaso, al menos hasta ahora, de los experimentos de detección directa lleva a dos preguntas, Dijo Lisanti. "¿Cómo voy a averiguar cuáles son las velocidades de estas cosas?" y "¿No hemos visto nada porque hay algo diferente en la distribución de velocidad de lo que esperábamos?"

Tener una forma completamente independiente de calcular la velocidad de la materia oscura podría ayudar a arrojar luz sobre eso, ella dijo. Pero hasta ahora, es solo teórico. La astronomía del mundo real no se ha puesto al día con la gran cantidad de datos producidos por la simulación de Eris, por lo que Lisanti y sus colegas aún no saben qué tan rápido se mueven las estrellas más antiguas de nuestra galaxia.

Afortunadamente, esa información está siendo reunida en este momento por el telescopio Gaia de la Agencia Espacial Europea, que ha estado escaneando la Vía Láctea desde julio de 2014. Hasta ahora, sólo se ha publicado información sobre un pequeño subconjunto de estrellas, pero el conjunto de datos completo incluirá muchos más datos sobre casi mil millones de estrellas.

"La gran cantidad de datos en el horizonte de las encuestas estelares actuales y futuras brindará una oportunidad única para comprender esta propiedad fundamental de la materia oscura, "Dijo Lisanti.