Ondas gravitacionales en la materia oscura

El fuerte efecto de lente gravitacional que se observa en esta imagen del Hubble del cúmulo galáctico Abell 1689 indica la presencia de materia oscura.

La materia oscura constituye alrededor del 27 % de la masa y energía de nuestro universo. Y, sin embargo, no sabemos lo que es, de ahí su nombre. Sí sabemos que no es materia ordinaria (bariónica para los científicos), ni es energía oscura, ni son neutrinos (que sepamos). No es nada conocido. También sabemos que no emite, ni interactúa con, ningún tipo de radiación electromagnética, por lo que es invisible en todo el espectro electromagnético. Deducimos que existe por sus efectos gravitatorios que se revelan en el movimiento de la materia ordinaria de las galaxias, porque distorsiona el espaciotiempo creando lentes gravitacionales, porque influye en la estructura a gran escala del universo y porque sus efectos se perciben en el fondo cósmico de microondas.

Pero, si tiene efectos gravitatorios, ¿tendrá efecto en la transmisión de las ondas gravitacionales? Porque, de ser así, las ondas gravitacionales podrían usarse para revelar las propiedades de la materia oscura de la misma manera que las ondas sísmicas se utilizan para sondear la estructura del interior de la Tierra.

Cálculos efectuados por Raphael Flauger, de la Universidad de California en San Diego, y Steven Weinberg, de la Universidad de Texas en Austin, sugieren que aún estamos lejos de poder estudiar la materia oscura de esta manera. Predicen que, si bien la materia oscura podría influir en las ondas gravitacionales, los efectos serían demasiado pequeños como para que los detectores previstos en un futuro próximo pudiesen medirlos.

Cuando la luz pasa del vacío a un material se ralentiza debido a las interacciones entre la luz (una onda elecromagnética) y los campos electromagnéticos existentes en el material. Flauger y Weinberg predicen que algo similar podría suceder cuando una onda gravitacional encuentra materia oscura, causando que la onda se ralentice. Sin embargo, el efecto predicho es minúsculo: las interacciones con la materia oscura reducirían la velocidad de una onda gravitacional con una longitud de onda del tamaño del Universo en aproximadamente una parte por millón (106), mientras que la velocidad de una onda gravitacional similar a la detectada por el interferómetro láser El Observatorio de Ondas Gravitacionales (LIGO) en 2015 disminuiría en solo una parte en 1045.

Flauger y Weinberg también han encontrado un efecto adicional para las ondas gravitacionales primordiales, que se originaronn a partir de cambios estructurales cósmicos en el universo primitivo. Se cree que la materia oscura en esa época se habría movido a velocidades relativistas y que habría estado acoplada fuertemente a protones y neutrones, cambiando la forma en la que podría haber interactuado con las ondas gravitacionales. En estas condiciones, los investigadores predicen que la materia oscura ralentizaría una onda gravitacional y disminuiría su amplitud.

En cualquier caso ambos efectos son actualmente indetectables. Los investigadores todavía no saben cómo medir con precisión la desaceleración de una onda gravitacional. Y, hasta ahora, nadie ha detectado ondas primordiales.

Referencia:

Raphael Flauger and Steven Weinberg (2018) Gravitational waves in cold dark matter Physical Review D doi: 10.1103/PhysRevD.97.123506

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance

Este texto es una colaboración del Cuaderno de Cultura Científica con Next

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