Las fusiones de estrellas de neutrones son un tesoro escondido para nuevas señales físicas, con implicaciones para determinar la verdadera naturaleza de la materia oscura, según una investigación de la Universidad de Washington en St. Louis.
El 17 de agosto de 2017, el Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferómetro Láser (LIGO) en los Estados Unidos y Virgo, un detector en Italia, detectaron ondas gravitacionales provenientes de la colisión de dos estrellas de neutrones. Por primera vez, este evento astronómico no sólo se escuchó en ondas gravitacionales, sino que también se vio en la luz a través de decenas de telescopios terrestres y espaciales.
El físico Bhupal Dev en Artes y Ciencias utilizó observaciones de esta fusión de estrellas de neutrones, un evento identificado en los círculos astronómicos como GW170817, para derivar nuevas limitaciones sobre partículas similares a axiones. Estas partículas hipotéticas no han sido observadas directamente, pero aparecen en muchas extensiones del modelo estándar de física.
Los axiones y las partículas similares a los axiones son los principales candidatos para componer parte o la totalidad de la materia "faltante", o materia oscura, del universo que los científicos aún no han podido explicar. Como mínimo, estas partículas que interactúan débilmente pueden servir como una especie de portal, conectando el sector visible del que los humanos conocen mucho con el desconocido sector oscuro del universo.
"Tenemos buenas razones para sospechar que una nueva física más allá del modelo estándar podría estar acechando a la vuelta de la esquina", dijo Dev, primer autor del estudio en Physical Review Letters. y miembro de la facultad del Centro McDonnell de Ciencias Espaciales de la universidad.
Cuando dos estrellas de neutrones se fusionan, se forma un remanente denso y caliente durante un breve período de tiempo. Este remanente es un caldo de cultivo ideal para la producción de partículas exóticas, dijo Dev. "El remanente se calienta mucho más que las estrellas individuales durante aproximadamente un segundo antes de convertirse en una estrella de neutrones más grande o en un agujero negro, dependiendo de las masas iniciales", dijo.
Estas nuevas partículas escapan silenciosamente de los restos de la colisión y, lejos de su origen, pueden descomponerse en partículas conocidas, normalmente fotones. Dev y su equipo, incluido el alumno de WashU Steven Harris (ahora miembro de NP3M en la Universidad de Indiana), así como Jean-Francois Fortin, Kuver Sinha y Yongchao Zhang, demostraron que estas partículas escapadas dan lugar a señales electromagnéticas únicas que pueden ser detectadas por telescopios de rayos gamma, como el Fermi-LAT de la NASA.
El equipo de investigación analizó la información espectral y temporal de estas señales electromagnéticas y determinó que podían distinguir las señales del fondo astrofísico conocido.
Luego, utilizaron datos de Fermi-LAT sobre GW170817 para derivar nuevas restricciones en el acoplamiento axión-fotón en función de la masa del axión. Estas limitaciones astrofísicas son complementarias a las que provienen de experimentos de laboratorio, como ADMX, que explora una región diferente del espacio de parámetros del axión.
En el futuro, los científicos podrían utilizar los telescopios espaciales de rayos gamma existentes, como el Fermi-LAT, o las misiones de rayos gamma propuestas, como el Telescopio Astrofísico Avanzado de Partículas (APT) dirigido por WashU, para tomar otras mediciones durante las colisiones de estrellas de neutrones y ayudar a mejorar su comprensión de las partículas similares a axiones.
"Los entornos astrofísicos extremos, como las fusiones de estrellas de neutrones, brindan una nueva ventana de oportunidad en nuestra búsqueda de partículas del sector oscuro como los axiones, que podrían ser la clave para comprender el 85% que falta de toda la materia en el universo", dijo Dev. /P>
Más información: P. S. Bhupal Dev et al, Primeras limitaciones en el acoplamiento de fotones de partículas similares a axiones de estudios multimensajeros de la fusión de estrellas de neutrones GW170817, Cartas de revisión física (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.101003
Información de la revista: Cartas de revisión física
Proporcionado por la Universidad de Washington en St. Louis
