Sensores cuánticos aproximados al Sol serían capaces de detectar la materia oscura

Relojes atómicos y moleculares podrían interpretar las señales de las interacciones que se producen cuando la materia oscura se adhiere al Sol procedente del centro de la galaxia. Podrían resolver un misterio cósmico que intriga a los físicos desde hace más de 30 años y abrir las puertas a una "nueva física".

Astrónomos estadounidenses y japoneses proponen utilizar relojes cuánticos para detectar la materia oscura que podría estar unida al Sol, explican en un artículo publicado en la revista Nature Astronomy.

En los últimos 30 años, los físicos han utilizado todos los medios a su alcance, desde potentes telescopios, hasta experimentos subterráneos gigantes y colisionadores de partículas, para observar de alguna forma a la materia oscura, sin todavía haberlo conseguido.

La materia oscura es una sustancia invisible que impregna todo el espacio cósmico. Se cree que constituye el 80 por ciento de la materia del universo, si bien no emite ningún tipo de radiación electromagnética, ni interactúa con ella: es completamente transparente en todo el espectro electromagnético.

La existencia de la materia oscura se deduce de sus efectos gravitacionales sobre el movimiento de las estrellas o las galaxias, así como de las diferentes direcciones (anisotropías) del fondo cósmico de microondas presente en el universo.

Los astrónomos han averiguado dónde está porque distorsiona la luz de estrellas lejanas: cuanto más grande es la distorsión, mayor es la concentración de materia oscura. Sin embargo, desconocemos completamente de qué está hecha la materia oscura, por lo que su composición es una de las cuestiones más importantes de la cosmología moderna.

Sensores cuánticos

La propuesta realizada por este equipo de investigadores, liderado por Yu-Dai Tsai, del Departamento de Física y Astronomía de la Universidad de California en Irvine, se basa en una nueva tecnología que denominan “sensores cuánticos".

En esta categoría se incluyen por un lado los relojes atómicos y por otros los relojes moleculares. Los relojes atómicos utilizan una frecuencia de resonancia atómica para medir el tiempo que tarda un átomo en vibrar. Alcanzan una precisión tan elevada que solo admite un error de un segundo en 30 millones de años.

Los relojes moleculares se basan en que las secuencias de ADN y proteínas evolucionan a un ritmo relativamente constante a lo largo del tiempo y entre diferentes organismos. Una consecuencia directa de esta constancia es que la diferencia genética entre dos especies es proporcional al tiempo transcurrido desde la última vez que estas especies compartieron un ancestro común. Esta hipótesis sirve como método extremadamente útil para estimar escalas de tiempo como las que se dan en el universo a nivel molecular.

Los investigadores aseguran al respecto que sondas espaciales que se acoplan a campos de electrones, fotones y gluones, basadas en relojes atómicos y moleculares, tanto actuales como futuros, muestran sensibilidad suficiente para sondear el espacio de parámetros inexplorados de la materia oscura.

Materia oscura ultraligera

Los autores de este nuevo trabajo proponen utilizar un sistema de dos relojes en el interior del sistema solar para detectar específicamente una versión hipotética de la materia oscura conocida como materia oscura ultraligera (ULDM).

La materia oscura ultraligera se formaría en el centro de las galaxias en forma de ondas solitarias (solitones) y podría adherirse al Sol dejando clara huella de su presencia.

La densidad del material en ese entorno estelar debería ser lo suficientemente alta como para que sus señales sean mucho más claras de lo que serían en la Tierra, según los investigadores.

La nueva investigación propone enviar una misión espacial, que denomina SpaceQ, que, dotada de relojes atómicos y moleculares, sea capaz de medir pequeñas variaciones en las frecuencias de las transiciones atómicas que se producen cuando la ULDM se adhiere al Sol.

Sondear modelos

Los autores de este trabajo demuestran que la extrema sensibilidad demostrada por los relojes cuánticos a bordo de SpaceQ sería capaz de detectar las huellas de materia oscura en el entorno de nuestra estrella.

“La misión de la sonda solar permitiría a los relojes atómicos estudiar la densidad mejorada de la materia oscura cerca del Sol y sondear modelos de objetivos muy interesantes y motivados que se detallan en nuestro artículo”, declara Tsai a la revista Vice.

“Además, también podemos probar la variación de las constantes fundamentales, con el cambio del potencial gravitacional, cuando nos acercamos al Sol. Esta ha sido una de las principales motivaciones fundamentales de la física para desarrollar relojes precisos”, añade.

Antecedentes prometedores

Esta propuesta está inspirada en dos misiones pioneras de la NASA: el Reloj Atómico del Espacio Profundo, una prueba de un reloj de navegación espacial sin precedentes lanzado en 2019, y la sonda Solar Parker, que se lanzó en 2018 y que ha viajado más cerca del Sol que cualquier otra misión.

SpaceQ es una combinación deslumbrante de estas dos misiones pioneras que integra por un lado las maniobras de Parker para rozar el Sol y por otro lado las sensibles mediciones atómicas del reloj del espacio profundo, destaca la citada revista.

Y, aunque la misión SpaceQ aún es solo una idea, ofrece un enfoque novedoso para buscar materia oscura que podría ser potencialmente mucho más efectivo que las técnicas existentes, además de que promete descubrir "nueva física" y "estudiar muchos temas de física fundamental", escriben los investigadores en su artículo.

Referencia

Direct detection of ultralight dark matter bound to the Sun with space quantum sensors. Yu-Dai Tsai et al. Nature Astronomy (2022). DOI:https://doi.org/10.1038/s41550-022-01833-6