Una oscilación de Marte podría ser señal de materia oscura

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La observación de los cambios en la órbita de Marte con el paso del tiempo podría ser una nueva forma de detectar la materia oscura que circula en el universo.

En un nuevo estudio, físicos del MIT proponen que si la mayor parte de la materia oscura del universo está formada por agujeros negros primordiales microscópicos (una idea propuesta por primera vez en la década de 1970), entonces estas enanas gravitacionales deberían atravesar nuestro sistema solar al menos una vez por década. Un acercamiento como el citado, predicen los investigadores, introduciría una oscilación en la órbita de Marte, en un grado que la tecnología actual podría detectar realmente.

La ilustración muestra un agujero negro primordial (a la izquierda) volando y “bamboleando” brevemente la órbita de Marte (a la derecha), con el sol al fondo. Los científicos del MIT dicen que tal oscilación podría ser detectable con los instrumentos actuales. Crédito de la imagen: Benjamin Lehmann, quien usó SpaceEngine @ Cosmographic Software LLC

En el artículo publicado en MIT News, con la firma de Jennifer Chu, se indica que tal detección podría respaldar la idea de que los agujeros negros primordiales son una fuente primaria de materia oscura en todo el universo.

“Tras décadas de precesión en telemetría, los científicos conocen la distancia entre la Tierra y Marte con una precisión de unos 10 centímetros”, explicó el autor del estudio David Kaiser, profesor de física y profesor de Historia de la Ciencia en Germeshausen en el MIT. “Estamos aprovechando esta región del espacio altamente instrumentada para intentar buscar un pequeño efecto. Si lo vemos, eso contaría como una razón real para seguir persiguiendo esta encantadora idea de que toda la materia oscura está formada por agujeros negros que se generaron menos de un segundo después del Big Bang y han estado fluyendo alrededor del universo durante 14 mil millones de años”.

Kaiser y sus colegas informaron sus hallazgos en la revista Physical Review D. Los coautores del estudio son el autor principal Tung Tran ‘24, quien ahora es estudiante de posgrado en la Universidad de Stanford; Sarah Geller ‘12, SM ‘17, PhD ‘23, que ahora es postdoctorada en la Universidad de California en Santa Cruz; y Benjamin Lehmann, miembro del MIT Pappalardo.

Más allá de las partículas
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Menos del 20 por ciento de toda la materia física está formada por materia visible, desde estrellas y planetas hasta la puerta de ingreso a nuestro hogar. El resto está compuesto de materia oscura, una forma hipotética de materia que es invisible en todo el espectro electromagnético pero que se cree que impregna el universo y ejerce una fuerza gravitacional lo suficientemente grande como para afectar el movimiento de estrellas y galaxias.

Menos del 20 por ciento de toda la materia física está formada por materia visible, desde estrellas y planetas hasta la puerta de ingreso a nuestro hogar.

Los físicos han instalado detectores en la Tierra para intentar localizar la materia oscura y precisar sus propiedades. En su mayor parte, estos experimentos suponen que la materia oscura existe como una forma de partícula exótica que podría dispersarse y descomponerse en partículas observables a medida que pasa por un experimento determinado. Pero hasta ahora, estas búsquedas basadas en partículas no han dado resultados.

En los últimos años, otra posibilidad, introducida por primera vez en la década de 1970, ha ganado fuerza: en lugar de tomar forma de partícula, la materia oscura podría existir como agujeros negros microscópicos y primordiales que se formaron en los primeros momentos posteriores al Big Bang. A diferencia de los agujeros negros astrofísicos que se forman a partir del colapso de estrellas antiguas, los agujeros negros primordiales se habrían formado a partir del colapso de densas bolsas de gas en el universo primitivo y se habrían dispersado por el cosmos a medida que el universo se expandió y enfrió.

Estos agujeros negros primordiales habrían colapsado una enorme cantidad de masa en un espacio diminuto. La mayoría de estos agujeros negros primordiales podrían ser tan pequeños como un solo átomo y tan pesados como los asteroides más grandes. Sería concebible, entonces, que gigantes tan diminutos pudieran ejercer una fuerza gravitacional que podría explicar al menos una porción de la materia oscura. Para el equipo del MIT, esta posibilidad planteó una cuestión inicialmente frívola.

“Creo que alguien me preguntó qué pasaría si un agujero negro primordial atravesara un cuerpo humano”, recordó Tung, quien hizo un rápido cálculo con lápiz y papel para descubrir que si tal agujero negro zumbaba a menos de 1 metro de una persona, la fuerza del agujero negro empujaría a la persona a 6 metros de distancia en un segundo. Tung también descubrió que las probabilidades de que un agujero negro primordial pasara cerca de una persona en la Tierra eran astronómicamente improbables.

Si un agujero negro pasara a menos de 1 metro de una persona, la fuerza del agujero negro empujaría a la persona a 6 metros de distancia en un segundo… pero es improbable.

Luego de despertado el interés en el asunto, los investigadores llevaron los cálculos de Tung un paso más allá, para estimar cómo un sobrevuelo de un agujero negro podría afectar a cuerpos mucho más grandes, como la Tierra y la Luna.

“Extrapolamos para ver qué pasaría si un agujero negro pasara cerca de la Tierra y provocara que la Luna se tambaleara un poco”, dijo Tung. “Las cifras que obtuvimos no fueron muy claras. Hay muchas otras dinámicas en el sistema solar que podrían actuar como algún tipo de fricción para amortiguar la oscilación”.

Encuentros cercanos
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Tras una imagen más clara, el equipo generó una simulación relativamente simple del sistema solar que incorpora las órbitas y las interacciones gravitacionales entre todos los planetas y algunas de las lunas más grandes.

“Las simulaciones más modernas del sistema solar incluyen más de un millón de objetos, cada uno de los cuales tiene un pequeño efecto residual”, señaló Lehmann. “Pero incluso modelando dos docenas de objetos en una simulación cuidadosa, pudimos ver que había un efecto real en el que podíamos profundizar”.

El equipo calculó la velocidad a la que un agujero negro primordial debería atravesar el sistema solar, basándose en la cantidad de materia oscura que se estima reside en una región determinada del espacio y la masa de un agujero negro que pasa, que en este caso, se suponía que eran tan masivos como los asteroides más grandes del sistema solar, en consonancia con otras limitaciones astrofísicas.

“Los agujeros negros primordiales no viven en el sistema solar. Más bien, fluyen por el universo, haciendo lo suyo”, señaló la coautora Sarah Geller. “Y la probabilidad es que estén atravesando el sistema solar interior en algún ángulo una vez cada 10 años aproximadamente”.

Según la velocidad estimada, los investigadores simularon varios agujeros negros con masa de asteroides volando a través del sistema solar, desde varios ángulos y a velocidades de aproximadamente 241 kilómetros por segundo. (Las direcciones y velocidades se tomaron de otros estudios sobre la distribución de la materia oscura en nuestra galaxia). Se centraron en aquellos sobrevuelos que parecían ser ’encuentros cercanos’ o casos que causaron algún tipo de efecto en los objetos circundantes. Rápidamente descubrieron que cualquier efecto en la Tierra o la Luna era demasiado incierto para atribuirlo a un agujero negro en particular. Pero Marte parecía ofrecer una imagen más clara.

Los investigadores descubrieron que si un agujero negro primordial pasara a unos pocos cientos de millones de kilómetros de Marte, el encuentro provocaría un ‘bamboleo’ o una ligera desviación en la órbita de Marte. A los pocos años de tal encuentro, la órbita de Marte debería desplazarse aproximadamente un metro, una oscilación increíblemente pequeña, dado que el planeta está a más de 225 millones de kilómetros de la Tierra. Y, sin embargo, esta oscilación podría ser detectada por los diversos instrumentos de alta precisión que hoy monitorean Marte.

Si se detectara tal oscilación en las próximas dos décadas, los investigadores admiten que aún quedaría mucho trabajo por hacer para confirmar que el empuje provino de un agujero negro que pasaba en lugar de un asteroide común y corriente.

“Necesitamos la mayor claridad posible sobre los antecedentes esperados, como las velocidades y distribuciones típicas de las rocas espaciales perforadas, frente a estos agujeros negros primordiales”, señaló Kaiser. “Afortunadamente para nosotros, los astrónomos han estado rastreando rocas espaciales ordinarias durante décadas mientras pasaban por nuestro sistema solar, por lo que pudimos calcular las propiedades típicas de sus trayectorias y comenzar a compararlas con los muy diferentes tipos de trayectorias y velocidades que deberían segui los agujeros negros primordiales”.

Para obtener ayudar con esto, los investigadores están explorando la posibilidad de una nueva colaboración con un grupo que tiene una amplia experiencia en la simulación de muchos más objetos del sistema solar.

“We are now working to simulate a huge number of objects, from planets to moons and rocks, and how they’re all moving over long time scales", dijo Geller. ‘Queremos incorporar escenarios de encuentros cercanos y observar sus efectos con mayor precisión".

“Propusieron una prueba muy interesante, que podría decirnos si el agujero negro más cercano está más cerca de lo que creemos”, expresó Matt Caplan, profesor asociado de física en la Universidad Estatal de Illinois, quien no participó en el estudio. “Debo enfatizar que también hay un poco de suerte involucrada. Que una búsqueda encuentre o no una señal fuerte y clara depende del camino exacto que tome un agujero negro errante a través del sistema solar. Ahora que han comprobado esta idea con simulaciones, tienen que hacer la parte difícil: verificar los datos reales”.

El Sistema Solar como detector de agujeros negros
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En un artículo en Physics, Charles Day editor senior de Physics Magazine, realizó un resumen muy atractivo:

“Durante la temprana expansión del Universo, las regiones sobredensas podrían haber colapsado gravitacionalmente para producir agujeros negros primordiales (PBH). Dependiendo de la causa del colapso, los PBH podrían tener casi cualquier masa. Pero si, como sostienen algunos teóricos, deben explicar toda la materia oscura del Universo, no pueden ser tan livianos como para evaporarse y desaparecer ni tan pesados como para contradecir las observaciones de lentes gravitacionales. Dentro de ese amplio rango se encuentra uno más estrecho que abarca las masas de los asteroides. Este rango de masas ha permanecido en gran medida inexplorado. Ahora Tung Tran, del Instituto Tecnológico de Massachusetts, y sus colaboradores han determinado que es posible detectar PBH con masas de asteroides gracias a su influencia gravitacional en el Sistema Solar”.

“La materia oscura gobierna la estructura a gran escala del Universo. En las teorías de la materia oscura, cuanto menor es la masa de las partículas de materia oscura, más se necesitan para explicar esa estructura. Además, las partículas de materia oscura deben moverse a través del cosmos con suficiente lentitud como para que la gravedad las atraiga. Si la materia oscura se compone exclusivamente de PBH con masa de asteroide, esas dos limitaciones implican que un puñado de PBH estarán presentes en el Sistema Solar en un momento dado y que las velocidades de los PBH son de aproximadamente 200 km/s”.

“Esos PBH apenas perturbarían el Sistema Solar. Sin embargo, las distancias entre la Tierra y los planetas se conocen con extraordinaria precisión: hasta 10 cm. en el caso de Marte. A partir de sus cálculos y simulaciones, Tran y sus colaboradores concluyeron que el paso de al menos un PBH de masa de asteroide a través del Sistema Solar podría dejar un rastro detectable en los datos de distancia existentes o inminentes una vez por década. Dicen que una no detección impondría fuertes restricciones a un candidato a materia oscura bien motivado.”

Importante
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El paper: “Close encounters of the primordial kind: a new observable for primordial black holes as dark matter” fue publicado en Physical Review D. Sus autores son: Tung X. Tran, Sarah R. Geller, Benjamin V. Lehmann, & David I. Kaiser.
El paper con acceso abierto puede verse aquí.
El trabajo mencionado aquí fue apoyado, en parte; por el Departamento de Energía de EE. UU. y la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU., que incluyó una beca postdoctoral en Ciencias Físicas y Matemáticas de la NSF.

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