Astrónomos crean nueva técnica para ayudar en la búsqueda de materia oscura
Detección de radar de ionización atmosférica de meteoros (y DM) para una configuración de antena simplificada. Aquí θ es el ángulo cenital, h la altitud y ~z la trayectoria entrante. Los sistemas de radar de eco de cabeza detectan el frente de ionización aproximadamente esférico alrededor del objeto en movimiento, mientras que los sistemas de radar de eco de rastro detectan su rastro de ionización. El degradado rojo muestra un perfil de densidad de electrones gaussiano, que determina el tipo de dispersión (subdensidad si las ondas de radio penetran en el perfil de ionización y sobredensidad en caso contrario). Crédito: Pawan Dhakal et al.
Los meteoritos pueden ayudar a los astrónomos a idear una nueva forma de localizar la materia oscura: partículas misteriosas e invisibles que hasta ahora solo se han discernido por el efecto que tienen en el mundo natural.
Cinco veces más frecuente que la materia ordinaria, la materia oscura constituye aproximadamente el 85 % de la masa total del universo y aproximadamente una cuarta parte (26,8 %) de la masa y la energía totales del universo. Los humanos no pueden detectar estas escurridizas partículas directamente, ya que la materia oscura no emite luz, por lo que los científicos utilizan poderosos instrumentos como el Telescopio Espacial Hubble o el próximo Telescopio Espacial Nancy Grace Roman de la NASA para observar su influencia en las galaxias y otros cúmulos estelares distantes.
Ahora, según un estudio dirigido por investigadores de la Universidad Estatal de Ohio, los sistemas de radar en tierra podrían usarse para ayudar en la búsqueda.
John Beacom, coautor del estudio y profesor de física y astronomía en el estado de Ohio, dijo que si bien los científicos generalmente buscan solo partículas diminutas de materia oscura con masas pequeñas, el objetivo de esta nueva investigación es mejorar la búsqueda ayudando a para caracterizar la materia oscura macroscópica: partículas con una gran masa que podrían no llegar a los detectores terrestres tradicionales.
«Una de las razones por las que la materia oscura es tan difícil de detectar podría deberse a que las partículas son muy masivas«, dijo Beacom. «Si la masa de materia oscura es pequeña, entonces las partículas son comunes, pero si la masa es grande, las partículas son raras«.
Aunque estas partículas no se pueden tocar ni ver, la materia oscura se puede percibir por sus efectos gravitatorios sobre otros fenómenos celestes, como estrellas o agujeros negros.
Si bien sus efectos en otros sistemas naturales no son fáciles de categorizar, tomarse el tiempo para aprender más sobre la materia oscura abre nuevas vías para que los científicos comprendan el tamaño, la forma y el futuro del cosmos, dijo Beacom. Tales detecciones también pueden revelar la masa de estas partículas que, dependiendo de su tamaño, pueden tener efectos enormes en la formación y estructura de las galaxias.
La investigación se publica actualmente en el servidor de preimpresión de acceso abierto, arXiv.
Lo que hace que la investigación sea tan novedosa es que los científicos aplicaron la misma tecnología que se usa para rastrear meteoritos a medida que cruzan el cielo. Al atravesar la atmósfera de la Tierra, tanto los meteoros como las partículas de materia oscura producen depósitos de ionización, una forma de radiación que deja atrás electrones libres, átomos capaces de conducir electricidad. Las ondas electromagnéticas liberadas por el radar rebotan en los electrones libres, lo que indica la presencia de materia de otro mundo, que luego se puede usar para distinguir la materia oscura de los meteoritos. De esta manera, toda la atmósfera del planeta puede transformarse en un detector de partículas eficiente a gran escala.
Aunque los científicos han utilizado este método de caza de meteoritos durante décadas, Beacom dijo que estaba sorprendido de que nadie hubiera aplicado nunca estos sistemas, o sus datos recopilados previamente, en la búsqueda de materia oscura.
Una de las conclusiones más significativas del estudio es cómo el nuevo método del equipo podría complementar otras búsquedas cosmológicas de materia oscura, ya que su sistema ofrece un nivel de precisión y sensibilidad del que carecen muchas otras técnicas.
«Las técnicas de cosmología actuales son bastante sensibles, pero no tienen forma de verificar su propio trabajo«, dijo Beacom. «Esta es una técnica totalmente nueva, por lo que si los científicos no están seguros de lo que han detectado, una señal de la cosmología podría verificarse en detalle con la técnica del radar«.
Los coautores fueron Pawan Dhakal, Steven Prohira y Christopher Cappiello del estado de Ohio, así como Scott Palo y John Marino de la Universidad de Colorado Boulder.
Referencia
- Pawan Dhakal et al, New Constraints on Macroscopic Dark Matter Using Radar Meteor Detectors (2022). ArXiv: https://arxiv.org/pdf/2209.07690.pdf
