¿Qué pueden revelar las ondas gravitacionales sobre la materia oscura?

NANOGrav Collaboration capturó recientemente los primeros signos de ondas gravitacionales de muy baja frecuencia. El profesor Pedro Schuyler y Wolfram Ratzinger analizaron los datos y, en particular, analizaron la posibilidad de que esto pudiera indicar una nueva física más allá del Modelo Estándar. En un artículo publicado en la revista SciPost Physics, informan que la señal es consistente tanto con la transición de fase en el universo temprano como con la existencia de un campo de partículas similares a axones (ALP) extremadamente ligeras. Estos últimos se consideran candidatos prometedores para la materia oscura.

Las ondas gravitacionales abren una ventana al universo temprano. Si bien el omnipresente fondo cósmico de microondas no proporciona pistas sobre los primeros 300.000 años de nuestro universo, sí proporciona algunos destellos de lo que sucedió durante el Big Bang. «Es precisamente este universo muy temprano el que es muy emocionante para los físicos de partículas», explica Pedro Schwaler, profesor de física teórica en PRISMA + Cluster of Excellence en la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz (JGU).

«Este es el momento en que las partículas elementales como los quarks y los gluones existen y luego se combinan para formar los bloques de construcción del núcleo atómico».

Lo especial de las ondas gravitacionales que descubrió NANOGrav Collaboration es que tienen una frecuencia muy baja de 10-8 Hz, lo que equivale aproximadamente a una frecuencia por año. Debido a su correspondiente gran longitud de onda, para poder detectarlo, cualquier detector también debe ser igualmente grande. Dado que este detector no es posible aquí en la Tierra, los astrónomos de NANOGrav están usando púlsares distantes y sus señales de luz como detectores masivos.

Wolfram Ratzinger resume la motivación detrás de su trabajo: «Aunque los datos hasta ahora nos brindan solo un primer indicio de la existencia de ondas gravitacionales de baja frecuencia, todavía es muy emocionante para nosotros trabajar con ellas. Esto se debe a que tales ondas pueden ser producido por varios procesos. «Sucedió en el universo temprano. Ahora podemos usar los datos que ya tenemos para determinar cuáles se tienen en cuenta y cuáles no se ajustan a los datos en absoluto».

Como resultado, los científicos de Mainz decidieron examinar más de cerca dos escenarios que podrían ser la causa de las ondas gravitacionales observadas: las transiciones de fase en el universo temprano y el campo de materia oscura de partículas similares a axones (ALP) extremadamente ligeras. Tales transiciones de fase son causadas por la caída de temperatura en la sopa primordial después del Big Bang y conducen a perturbaciones masivas; sin embargo, como la materia oscura, el Modelo Estándar no está cubierto por ella.

Con base en los datos disponibles, Pedro Schuyler y Wolfram Ratzinger interpretan los resultados de su análisis con relativa cautela: «Un escenario de transición en una etapa temprana es quizás un poco más probable». Por otro lado, los dos físicos creen que el hecho de que sean capaces de hacer ciertas probabilidades depende solo de datos limitados que prueben el potencial de su enfoque. «Nuestro trabajo es el primer desarrollo, pero es importante, nos da tanta confianza en que con datos más precisos podemos sacar conclusiones confiables sobre el mensaje que las ondas gravitacionales nos envían desde el universo primitivo».

Pedro Schwaler concluye: “Además, ya podemos empezar a definirles y limitarles ciertas características de los escenarios, en nuestro caso la fuerza de transmisión de fase y la masa de los ejes”.

Trabajo de investigación

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Johannes Gutenberg, Universidad de Mainz

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