Los científicos de la Universidad de Ámsterdam han desarrollado una nueva forma de utilizar ondas gravitacionales de los agujeros negros para descubrir la presencia de materia oscura y aprender más sobre su comportamiento. Su enfoque se basa en un modelo teórico detallado basado en la teoría de la relatividad general de Einstein. Este modelo describe cuidadosamente cómo interactúa un agujero negro con el material de su entorno inmediato, incluida la materia oscura que no se puede observar directamente.
La investigación fue dirigida por Rodrigo Vicente, Theophanes K. del Instituto de Física UvA (IoP) y el Centro de Excelencia GRAPPA para Física de Gravitación y Astropartículas de Ámsterdam. Dirigida por Carridas y Gianfranco Bertone Sus hallazgos se publican en la revista carta de revisión física. En el estudio, el equipo presenta un método más avanzado para calcular cómo la materia oscura que rodea los agujeros negros modifica sutilmente las ondas gravitacionales que crean esos sistemas.
Inspiración de relación de masa extrema y señales gravitacionales largas.
El estudio se centra en una clase de sistemas conocidos como repulsiones extremas de relación de masas o EMRI. Estos ocurren cuando un objeto pequeño y denso, como un agujero negro creado por el colapso de una sola estrella, orbita alrededor de un agujero negro mucho más grande, generalmente en el centro de una galaxia. Con el tiempo, el pequeño objeto gira lentamente en espiral hacia adentro, emitiendo ondas gravitacionales a lo largo de este lento descenso.
Se espera que las próximas misiones espaciales, incluida la antena espacial LISA de la Agencia Espacial Europea, cuyo lanzamiento está previsto para 2035, sigan estas señales durante mucho más tiempo. Algunos eventos EMRI pueden rastrearse durante meses o incluso años, cubriendo decenas de miles o millones de órbitas individuales. Cuando los científicos pueden modelar estas señales con alta precisión, los datos resultantes actúan como “huellas dactilares cósmicas” detalladas que revelan cómo se organiza la materia cerca de los agujeros negros supermasivos. Esto incluye la materia oscura, que se cree que constituye la mayor parte de la materia del universo.
¿Por qué es importante un modelo totalmente relativista?
Antes de que observatorios como LISA puedan comenzar a recopilar datos, los investigadores deben comprender primero qué patrones de ondas gravitacionales deben esperar y cómo interpretarlos. Hasta ahora, muchos estudios han utilizado modelos simplificados que sólo describen de forma aproximada cómo el entorno afecta a EMRI. Según los autores, estas suposiciones omiten importantes implicaciones físicas.
El nuevo trabajo aborda esta limitación introduciendo el primer marco totalmente relativista para una amplia gama de entornos posibles. Esto significa que los cálculos no se basan exclusivamente en la teoría de la gravedad de Einstein sino en suposiciones newtonianas simplificadas. Como resultado, el modelo puede describir con mayor precisión cómo la materia alrededor de un agujero negro masivo cambia las órbitas de objetos más pequeños y remodela las ondas gravitacionales emitidas.
Picos de materia oscura e huellas detectables
Un foco clave del estudio es la densa región de materia oscura que puede formarse alrededor de los agujeros negros supermasivos. Esta concentración a menudo se denomina “pico” o “montículo”. Al incorporar su modelo relativista en los cálculos de las formas de ondas gravitacionales modernas, los investigadores muestran que tales estructuras de materia oscura dejarán firmas distintas y mensurables en las señales detectadas por futuros observatorios.
Los autores describen la investigación como un paso esencial hacia un objetivo científico más amplio. Con el tiempo, esperan que las ondas gravitacionales puedan usarse para trazar cómo se distribuye la materia oscura en todo el universo y proporcionar nuevos conocimientos sobre su naturaleza fundamental.
