Un estudio reciente publicado en Physical Review Letters sugiere que los agujeros negros, y especialmente sus sombras, podrían proporcionar un método innovador para detectar la materia oscura, una sustancia misteriosa que constituye alrededor del 85% de la masa del universo y, sin embargo, pasa desapercibida. El equipo detrás de la investigación afirma que las imágenes capturadas por el Event Horizon Telescope (EHT) podrían servir como sensores cósmicos ultrasensibles para identificar partículas de materia oscura.
Los astrofísicos llevan mucho tiempo buscando formas de revelar la naturaleza de la materia oscura. Aunque se han propuesto numerosos enfoques de detección, explotar las imágenes de agujeros negros ofrece una nueva oportunidad, dijeron los coautores Jing Shu de la Universidad de Pekín y Yifan Chen del Instituto Niels Bohr. Shu expresó su fascinación por la capacidad del EHT para explorar entornos extremos alrededor de agujeros negros supermasivos, mientras que Chen señaló el potencial de estos gigantes cósmicos para actuar como concentradores naturales de materia y proporcionar conocimientos únicos sobre la física de partículas.
La investigación se centra en las regiones de sombra oscura observadas en imágenes EHT de agujeros negros como M87 y Sagitario A. El EHT opera como una red global de observatorios de radio y logra una resolución del tamaño de la Tierra mediante interferometría de línea de base muy larga. Capta la radiación de sincrotrón producida por electrones que orbitan intensos campos magnéticos cerca de los agujeros negros. El equipo utilizó simulaciones complejas, específicamente el modelo de disco detenido magnéticamente (MAD), para interpretar las observaciones del EHT. Este modelo muestra fuertes campos magnéticos que afectan el flujo de materia hacia el agujero negro, lo que explica por qué la sombra parece particularmente oscura.
Chen explicó que los procesos astrofísicos ordinarios a menudo emiten plasma, dejando el área de sombra vaga. Por el contrario, la materia oscura, si está presente, podría inyectar continuamente nuevas partículas que podrían emitir radiación en esta zona que de otro modo estaría vacía. Esta concentración de materia oscura, descrita como un «pico de materia oscura», se produce debido a la gravedad del agujero negro, lo que potencialmente permite que surjan señales detectables de eventos de aniquilación.
Los investigadores idearon un marco que combina la física de la materia oscura con el modelo MAD, aplicando simulaciones magnetohidrodinámicas relativistas generales para evaluar cómo los electrones y positrones de la aniquilación de la materia oscura podrían comportarse en los entornos magnéticos del agujero negro. Intentaron distinguir estas señales de las emisiones ordinarias, centrándose en cómo la materia oscura podría distribuir uniformemente electrones y positrones tanto en el disco de acreción como en las regiones del chorro, a diferencia de la concentración típica de electrones ordinarios.
Al examinar dos canales de destrucción específicos (pares quark-antiquark inferiores y pares electrón-positrón), el equipo generó imágenes sintéticas de agujeros negros responsables tanto de las emisiones astrofísicas estándar como de las supuestas señales de materia oscura. Este enfoque morfológico enfatiza el análisis de la estructura de las imágenes en lugar de solo su brillo, un método que resulta más efectivo para detectar firmas de materia oscura.
El estudio redujo con éxito espacios de parámetros previamente inexplorados relacionados con la detección de materia oscura y estableció límites en las secciones transversales de aniquilación que podrían investigarse con observaciones EHT existentes. Según los investigadores, futuras mejoras del EHT podrían mejorar significativamente sus capacidades de detección, especialmente con las actualizaciones esperadas destinadas a aumentar su rango dinámico y resolución angular.
Chen amplió estas actualizaciones, comparándolas con las funciones de alto rango dinámico que se encuentran en los teléfonos inteligentes, que pueden capturar detalles intrincados tanto en sombras oscuras como en luces brillantes en el mismo cuadro. Estas mejoras podrían facilitar la detección de materia oscura con secciones transversales de aniquilación estrictamente teóricas para un rango de masas, posiblemente hasta 10 TeV.
Los investigadores están considerando múltiples direcciones para ampliar aún más este trabajo, enfatizando que la sombra del agujero negro sirve no sólo como una imagen estática sino también como un laboratorio complejo y dinámico para futuras investigaciones. También destacaron la importancia de las observaciones multifrecuencia para distinguir las señales de materia oscura y las emisiones astrofísicas, lo que permitió a los investigadores obtener información valiosa sobre este fenómeno esquivo.
