¿Puede el Sol/Tierra tener un núcleo de materia oscura?

La forma más fácil de que la materia oscura quede atrapada dentro de otro objeto es si interactúa y pierde algo de energía cinética. De lo contrario, simplemente ganaría energía cinética al caer en un potencial gravitatorio y luego saldría disparado por el otro lado. Para ser claros, esta respuesta asume que la materia oscura "no ordinaria" a la que se refiere la pregunta es materia oscura no bariónica que consiste en partículas, aún desconocidas.

Para interactuar, debemos suponer que es posible alguna interacción débil de estas partículas y, de ser así, será más eficaz cuando haya una gran sección transversal y probabilidad de interacción.

Si la masa de un objeto es$M$y su radio es$R$y si la sección transversal de interacción es$\sigma$, entonces lo siguiente es ilustrativo.

El número de nucleones es$\sim M/m_u$. La densidad numérica de los nucleones es

Entonces, para la Tierra, poniendo algunas estimaciones para$M$y$R$, tenemos$p \sim 4 \times 10^{37} \sigma$; para el sol tenemos$p \sim 10^{39} \sigma$; y para una estrella de neutrones con$M = 1.5M_{\odot}$y$R=10$kilómetros, tenemos$p \sim 10^{49}\sigma$.

Por supuesto, la interacción por sí sola es insuficiente, la partícula de materia oscura necesita perder energía y también hay consideraciones de enfoque gravitacional, el espectro de energía entrante (incluida la masa en reposo de las partículas) y la densidad de la materia oscura y la velocidad a la que podría "construirse". Como sea lo que sea$\sigma$es (y sabemos que es pequeño), es 10 órdenes de magnitud más probable de interactuar y ser capturado dentro de una estrella de neutrones, que el Sol (o la Tierra). Por lo tanto, supongo que el argumento es que si hubiera materia oscura capturada dentro de la Tierra o el Sol, entonces las estrellas de neutrones deben estar llenas de esa materia. Por lo tanto, tiene sentido buscar evidencia de materia oscura dentro de las estrellas de neutrones.

La materia oscura se comporta gravitacionalmente de la misma manera que la materia ordinaria, sin embargo, no tiene la misma ecuación de estado que la materia ordinaria. Por lo tanto, habría diferencias estructurales (una relación masa-radio diferente) y también diferencias en las tasas de enfriamiento de las estrellas de neutrones (consulte este artículo popular, por ejemplo ). Dado que no sabemos qué hay en el núcleo de una estrella de neutrones, tampoco sabemos que allí no hay materia oscura. Intentaré determinar qué límites observacionales existen.

Ha habido varios estudios teóricos que muestran cómo la captura de materia oscura podría afectar la estructura del Sol (por ejemplo, Cumberbatch et al. 2010 ). La captura de materia oscura reduce la temperatura central y podría tener un efecto potencial en los resultados de la heliosismología y el flujo de neutrinos (especialmente en energías particulares -- Lopes & Silk 2010 ; Garani & Palomares-Ruiz 2017 ). No se han detectado tales efectos sin ambigüedad.

También podría haber una firma de neutrinos de la autoaniquilación de la materia oscura y esta es una ruta posible para detectar la materia oscura atrapada dentro de la Tierra. Se han encontrado límites superiores del experimento ICECUBE que, por supuesto, son consistentes con que no hay materia oscura allí, pero también con la presencia de materia oscura con pequeñas secciones transversales de autointeracción (por ejemplo , Kunnen 2015 ; Aartsen et al. 2017 ) .

Como respuesta parcial, si la Tierra podría tener o no un núcleo de materia oscura parecería depender del tipo de materia oscura que se esté considerando. Hay muchas propuestas hipotéticas, y la verdad puede involucrar más de una. Debido a su ambigüedad, actualmente no existe un argumento público convincente para interpretar cualquier evidencia experimental que sugiera o refute la posibilidad de un núcleo de materia oscura.

Aquí hay una línea de trabajo que analiza la posibilidad de que la materia oscura pueda formar corrientes similares a cabellos alrededor de la Tierra en lugar de formar un grupo similar a un núcleo o no verse afectada por la Tierra:

Una corriente de materia ordinaria no atravesaría la Tierra y saldría por el otro lado. Pero desde el punto de vista de la materia oscura, la Tierra no es un obstáculo. Según las simulaciones de Prézeau, la gravedad de la Tierra concentraría y desviaría la corriente de partículas de materia oscura en un cabello estrecho y denso.

Los cabellos que emergen de los planetas tienen "raíces", la concentración más densa de partículas de materia oscura en el cabello, y "puntas", donde termina el cabello. Cuando las partículas de una corriente de materia oscura atraviesan el núcleo de la Tierra, se enfocan en la "raíz" de un cabello, donde la densidad de las partículas es aproximadamente mil millones de veces mayor que el promedio. La raíz de dicho cabello debería estar a unas 600.000 millas (1 millón de kilómetros) de la superficie, o el doble de la luna. Las partículas de la corriente que rozan la superficie de la Tierra formarán la punta del cabello, aproximadamente dos veces más lejos de la Tierra que la raíz del cabello.

– "La Tierra podría tener materia oscura peluda" , NASA (2015-11-23)

Así es como se lo imaginan:

Si el Sol o la Tierra tuvieran un núcleo de materia oscura de este tipo, sería mucho más fácil de estudiar, ya que están muy cerca.

Los autores de este estudio parecen estar de acuerdo:

"Si pudiéramos identificar la ubicación de la raíz de estos pelos, potencialmente podríamos enviar una sonda allí y obtener una gran cantidad de datos sobre la materia oscura", dijo Prézeau.

– "La Tierra podría tener materia oscura peluda" , NASA (2015-11-23)

Seducción: "¿Puede el Sol/la Tierra tener un núcleo de materia oscura ?"

Quizás una pregunta más interesante es: ¿Cuál es la distribución aproximada de la materia oscura dentro del Sol? El centro exacto del Sol no tiene ninguno, para la Tierra los resultados no son concluyentes.

Seducción: "Si la materia oscura interactúa con la materia ordinaria, lo más probable es que ocurra donde la materia ordinaria es más densa".

En el caso del Sol, el centro es tan denso que la materia oscura está sujeta a la autoaniquilación. La tesis " Una búsqueda de materia oscura solar con el detector de neutrinos IceCube ", del Dr. Marcel Zoll, lo explica así en la página 15 (página 32 del .PDF):

1.4 Búsqueda WIMP solar indirecta con neutrinos

Los grandes cuerpos celestes como el Sol tienen el potencial de ser atractores naturales de ( partículas masivas de interacción débil) WIMP.$^{48}$, partículas hipotéticas que se cree que constituyen la materia oscura. El Sol, como parte del disco galáctico, gira alrededor del centro galáctico y, por lo tanto, atraviesa el halo WIMP, que se cree que está en reposo. Esto conduce a la dispersión de WIMP en los núcleos del Sol. Si la dispersión está relacionada con una pérdida sustancial de energía cinética por parte del WIMP, de modo que cae por debajo de la velocidad de escape, se unirá gravitacionalmente al Sol. Con el tiempo y más dispersiones, los WIMP eventualmente se hunden hasta el núcleo del Sol, donde se acumulan y termalizan. La sobredensidad resultante de los WIMP conduce a procesos de autoaniquilación que producen partículas SM en gran abundancia.. De estos, solo los neutrinos posiblemente pueden abandonar el Sol. Este proceso se ilustra esquemáticamente en la figura 1.4.

Las búsquedas indirectas de materia oscura WIMP solar son sensibles a la sección transversal de dispersión del nucleón WIMP que inicia el proceso de captura. Aquí la masa de$\simeq 2 · 10^{30}$kg for the Sun está formando un gran objetivo que impulsa la captura de WIMP y su acumulación. Los neutrinos producidos en los procesos de aniquilación deberían poder observarse en la Tierra en telescopios de neutrinos como IceCube. Incluso si la detección de neutrinos tiene sus propios desafíos, la detección de una señal de neutrino desde la dirección del Sol sería muy importante en su interpretación de la materia oscura WIMP".

Seducción: "... El Sol, o incluso la Tierra, también pueden tener núcleos de materia oscura, solo que es menos probable que tengan tales núcleos. Si el Sol / la Tierra tienen tal núcleo, la materia oscura sería mucho más fácil de estudiar, ya que Estás tan cerca".

La materia oscura del Sol se estudia utilizando telescopios de neutrinos. Estos instrumentos utilizan tubos fotomultiplicadores de Hamamatsu que apuntan hacia abajo, hacia el centro de la Tierra. La Tierra se utiliza para bloquear partículas de baja energía que, de lo contrario, inundarían el instrumento sensible. Los tubos fotomultiplicadores están enterrados en hielo claro.

El artículo " Métodos de reconstrucción de energía en el telescopio de neutrinos IceCube " (10 de febrero de 2014), de IceCube Colabaration (más de 300 autores), explica:

1. Introducción

El observatorio de neutrinos IceCube$^{1, 2}$es una matriz de fotomultiplicadores de kilómetros cúbicos (PMT) incrustada en el hielo glacial en el Polo Sur geográfico. La matriz completa está compuesta por 5160 fotomultiplicadores Hamamatsu R7081 orientados hacia abajo desplegados en 86 cadenas verticales a profundidades entre 1450 y 2450 metros en la capa de hielo. IceCube detecta neutrinos al observar la luz de Cherenkov inducida por partículas cargadas creadas en interacciones de neutrinos a medida que transitan la capa de hielo dentro del detector; la energía y el momento de estas partículas cargadas reflejan la energía y el momento del neutrino original.

A las energías de TeV típicas de tales telescopios de neutrinos, el canal primario de interacción de neutrinos es una dispersión inelástica profunda con núcleos en el material del detector. Tanto en las interacciones de corriente neutra como cargada, se crea una lluvia de hadrones en el vértice de interacción de neutrinos. En las interacciones de corriente cargada, esta lluvia va acompañada de un leptón cargado saliente. Este leptón, en particular para los electrones, también puede perder energía rápidamente y desencadenar otra lluvia superpuesta. La luz de Cherenkov es radiada por este leptón primario y las lluvias que lo acompañan con una amplitud total proporcional a la longitud del camino integrado de partículas cargadas por encima del umbral de Cherenkov. Esto, a su vez, es proporcional a la energía total de estas partículas.$^3$.

La producción de luz de las duchas electromagnéticas (EM) es máxima y tiene poca variación con respecto a la energía depositada.$^3$. Como tal, forma una unidad natural de energía de ducha reconstruida".

Se ha demostrado que estudiar el Sol es más fácil que estudiar la Tierra (con su gravedad más débil y debido a la alineación del detector con el centro de la Tierra, no puede hacer comparaciones múltiples que eliminen por completo el fondo).

Seducción: "He visto artículos de nivel popular (ejemplo) sobre tales teorías, pero todos son bastante especulativos".

No es del todo especulativo, me parece bastante meritorio.

Seducción: "Si la materia oscura interactúa con la materia ordinaria, lo más probable es que ocurra donde la materia ordinaria es más densa. Por lo tanto, tenemos artículos sobre estrellas de neutrones que posiblemente contengan núcleos de materia oscura (ejemplo)".

Para cada análisis hay dos tipos de fondo, los fondos "reducibles" donde las partículas fingen las partículas que estamos buscando (por ejemplo, un electrón de alta energía puede verse como un fotón de alta energía) y los fondos "irreducibles" donde las partículas son del mismo tipo que los que estamos buscando.

En " El telescopio de neutrinos busca materia oscura en el Sol " (14 de octubre de 2017), del Dr. Pat Scott, escribió en la página 1:

" Estado actual

Los neutrinos de alta energía del Sol proporcionan uno de los canales de descubrimiento potenciales más limpios para la materia oscura (DM) que interactúa débilmente. Se espera que las partículas de DM que interactúan débilmente que pasan a través del Sol se dispersen en los núcleos solares. Algunas de estas colisiones reducen la energía cinética de la partícula de DM lo suficiente como para que quede unida gravitacionalmente al Sol, lo que hace que regrese a una órbita unida y experimente una dispersión posterior, termalizándose finalmente y asentándose en el núcleo solar. Si DM es capaz de aniquilarse, ya sea consigo mismo o con anti-DM capturado de manera similar, se producirán partículas SM de alta energía en el núcleo solar. Incluso si los neutrinos no se encuentran entre esas partículas producidas en el duro proceso de aniquilación, todavía se generarán con energías bastante altas en la descomposición y la subsiguiente interacción de otras partículas SM con núcleos en el Sol. A diferencia de las otras partículas SM, estos neutrinos de escala GeV pueden viajar sin obstáculos desde el centro del Sol hasta la superficie y a través del espacio hasta la Tierra, donde pueden detectarse con experimentos terrestres.

La direccionalidad de la señal es el principal medio por el cual se puede distinguir del fondo de neutrinos atmosféricos, causado por las interacciones de los rayos cósmicos con la atmósfera terrestre. Por lo tanto, el único trasfondo conocido de la señal es la producción análoga de neutrinos de alta energía en la atmósfera del Sol, debido a las interacciones de los rayos cósmicos con los núcleos solares.

La captura de materia oscura por parte del Sol normalmente se convierte en el paso limitante de la velocidad en la producción de cualquier señal, en lugar de la aniquilación. Por lo tanto, las búsquedas de neutrinos de alta energía del Sol son más útiles para restringir la sección transversal de interacción de la materia oscura con los núcleos. Las interacciones dependientes del espín son particularmente relevantes, ya que el Sol se compone principalmente de hidrógeno, que posee un espín nuclear".

...

Página 3:

Cálculos de fondo mejorados

Las predicciones anteriores de la tasa de fondo de los neutrinos de alta energía del Sol, debido a las interacciones de los rayos cósmicos con los núcleos de la atmósfera solar, se calcularon hace más de una década.$^{6,7,8}$Sin embargo, han aparecido dos recálculos más recientes.$^{9,10}$En comparación con las predicciones anteriores, los nuevos cálculos hacen uso de los conocimientos modernos sobre las oscilaciones de neutrinos, la producción y las secciones transversales de interacción. Uno de estos$^{10}$también hace uso de modelos actualizados de la composición y estructura solar, y lleva a cabo extensas simulaciones Monte Carlo de producción, interacción y oscilación de neutrinos. Ambos estudios (y otro al mismo tiempo, basado en las antiguas estimaciones de flujo)$^{11}$) muestran que el fondo atmosférico solar se encuentra apenas un orden de magnitud por debajo de los límites de sensibilidad actuales para algunos modelos (Fig. 2). Esto sugiere que los futuros telescopios de neutrinos podrían medir directamente este 'piso de neutrinos' irreducible, y que los cálculos mejorados de las tasas de fondo deberían incluirse en futuros estudios fenomenológicos de dispersión y aniquilación de DM en el Sol".

9. CA Argüelles, G. de Wasseige, A. Fedynitch y BJP Jones, Los neutrinos atmosféricos solares y el suelo de sensibilidad para las búsquedas de aniquilación de la materia oscura solar, JCAP 7 (2017) 024, [arXiv:1703.07798].

10. J. Edsjö, J. Elevant, R. Enberg y C. Niblaeus, Neutrinos de interacciones de rayos cósmicos en el Sol, JCAP 6 (2017) 033, [arXiv: 1704.02892].

En " Los neutrinos de las interacciones de los rayos cósmicos en el Sol " (10 de julio de 2017), de Edsjö, Elevant, Enberg y Niblaeus, en la página 23, escribieron e incluyeron esta imagen:

"Finalmente, como ilustración, mostramos en la figura 12 cómo se vería el Sol si pudiéramos ver los muones inducidos por neutrinos de las interacciones de los rayos cósmicos solares. Incluso si el ángulo de dispersión del neutrino-nucleón difumina un poco los flujos de neutrinos, todavía vemos el anillo como firma de esta señal con un ligero hundimiento en el centro.".

La imagen inferior es una porción posterizada de la imagen original, para mostrar mejor las conchas.

"Figura 12. El Sol como podría verse en muones inducidos por neutrinos en un telescopio de neutrinos. Note la depresión en el centro".

Como puedes ver, la densidad en el centro es ligeramente menor, eso se explica en la página 15:

"Si comparamos los flujos de neutrinos helio en la producción (líneas sólidas) con los que se producen después del paso por el Sol (líneas discontinuas), vemos que tenemos una caída en los parámetros de bajo impacto. Este es el efecto de la atenuación que ocurre debido a interacciones cuando los neutrinos pasan por el Sol, como ya vimos en la figura 4. Como la densidad del Sol es significativamente mayor en el centro, el efecto es muy pronunciado para parámetros de bajo impacto.También podemos ver que el efecto de atenuación es mayor para energías más altas como se esperaba.

También podemos ver como los flujos de producción dependen del parámetro de impacto. Podemos ver que para energías más altas, estos alcanzan su punto máximo en parámetros de gran impacto, lo que se espera ya que la densidad donde ocurre la cascada es menor para estos CR que rozan el Sol y, por lo tanto, los flujos son más altos. También obtenemos una pequeña contribución de los muones que se descomponen fuera del Sol a parámetros de alto impacto y altas energías.3 El flujo total del Sol se obtiene integrando los parámetros de impacto, incluido el hecho de que el ángulo sólido es mayor para parámetros de impacto grandes. Por lo tanto, la parte del parámetro de alto impacto de estas cifras será la más importante para el flujo total del Sol".

El artículo anterior, "Neutrinos from cosmic ray interacciones in the Sun" también se recomienda en la página 70 de " The IceCube Neutrino Observatory Contributions to ICRC 2017 Part III: Cosmic Rays " (más de 300 autores), en el artículo: "Solaratmosfériconeutrino search with IceCube", de Seongjin In y Carsten Rott, escribieron:

"Los neutrinos atmosféricos solares proporcionan un fondo natural para las búsquedas de materia oscura solar y limitan su sensibilidad, como se señaló recientemente.$^{[5, 6, 7]}$.".

7. J.Edsjö, J.Elevant, R.Enberg y C.Niblaeus, [astro-ph/1704.02892v1].

En " La distribución de la materia oscura inelástica en el Sol " (19 de febrero de 2018), de Blennow, Clementz y Herrero-Garcia, en la página 17 escribieron:

"Ahora usamos la Ec. (36) para traducir la distribución en el espacio EL a una distribución radial. Los resultados para la dispersión elástica se muestran en la Fig. 5 para los tiempos$t = 10^{−10} t\odot$(izquierda),$t = 10^{−8} t\odot$(medio) y$t = 10^{-6} t\odot$(derecho). La distribución se compara con la isotérmica de la ecuación. (33), con los grados de libertad angulares integrados. Se puede ver que la distribución ha alcanzado esencialmente el equilibrio ya en$t = 10^{−8} t\odot$, cambiando sólo ligeramente en$t = 10^{-6} t\odot$. La distribución de Boltzmann brinda una descripción bastante precisa de la distribución, aunque la calculada numéricamente se desplaza ligeramente hacia radios más grandes y su pico no es tan pronunciado.

Pasando al caso de DM inelástica, centraremos nuevamente nuestra discusión en el caso ilustrativo de m$_χ$= 100 GeV y δ = 100 keV".

Nota:$χ$se utiliza como símbolo de la partícula de materia oscura, el WIMP.

En la página 20 escribieron:

"Finalmente, obtenemos las distribuciones radiales para la dispersión inelástica. Los resultados se muestran en la Fig. 7. En tiempos muy tempranos, la distribución se extiende hasta radios grandes. En$t = 10^{−9} t\odot$, comienza a formarse una gran concentración, como se muestra a continuación$r/R\odot \simeq 0.3$, que se desplaza muy lentamente hacia radios inferiores, formando una distribución centrada en$r/R\odot \simeq 0.1$a$t = 10−5 t\odot$. Sin embargo, incluso en$t = t\odot$, la distribución no ha alcanzado un estado estacionario. Otra observación importante es que la distribución de Boltzmann ahora es una descripción muy pobre de la distribución final. Esto se debe enteramente a que las partículas quedan atrapadas sin posibilidad de seguir dispersándose, en particular aquellas en la región a baja$E$cuales son los que contribuyen$f_{num}(r)$en radios más pequeños. Dado que el número de$χ^∗$partículas es completamente despreciable, la distribución total de DM es idéntica a la$χ$distribución.

Esas dos imágenes están de acuerdo con la anterior incluida de "Neutrinos de interacciones de rayos cósmicos en el Sol".

Seducir: "¿Hay alguna evidencia observacional de que el Sol/la Tierra es 100% materia ordinaria? Si no, ¿cuál es el límite observacional de la fracción de materia oscura del Sol/la Tierra?"

En el artículo "Búsquedas de materia oscura en el centro de la Tierra con el detector IceCube", un artículo incluido en: " IceCube Neutrino Observatory - Contributions to ICRC 2017 Part IV: Searches for Beyond the Standard Model Physics ", de IceCube Collaboration , los autores escribieron:

Página 39: "Mientras que la gran sobrecarga de hielo sobre el detector proporciona un escudo contra los muones inducidos por rayos cósmicos que van hacia abajo con energías$\begin{smallmatrix}\lt\\\sim\end{smallmatrix}$500 GeV en la superficie, la mayoría de los análisis se centran en los neutrinos ascendentes que emplean toda la Tierra como filtro. Además, los análisis de baja energía utilizan DeepCore como volumen fiduciario y las cadenas de IceCube circundantes como veto activo para reducir la penetración de fondos de muones. La búsqueda de firmas de aniquilación de WIMP en el centro de la Tierra aprovecha estas dos técnicas de rechazo de fondo, ya que la señal esperada será verticalmente ascendente y de baja energía".

Página 40: " 4. Antecedentes

Como los neutrinos de señal se originan cerca del centro de la Tierra, inducen una señal ascendente vertical en el detector. Sin embargo, esta es una dirección especial en la geometría de IceCube, ya que las cuerdas también son verticales. Mientras que en otras búsquedas de fuentes puntuales se puede definir una región de control sin señal de la misma aceptación del detector cambiando el acimut, esto no es posible para un análisis WIMP de la Tierra. En consecuencia, una estimación de fondo confiable solo puede derivarse de la simulación.

Se deben tener en cuenta dos tipos de fondo: el primer tipo consiste en muones atmosféricos producidos por rayos cósmicos en la atmósfera sobre el detector. Aunque estas partículas ingresan al detector desde arriba, una pequeña fracción se reconstruirá incorrectamente como ascendente.

El segundo tipo de fondo consiste en neutrinos atmosféricos. Este fondo irreductible viene de todas las direcciones".

Página 43: " 8. Conclusión

Usando un año de datos tomados por el detector completamente terminado, realizamos la primera búsqueda en IceCube de neutrinos producidos por aniquilaciones de materia oscura WIMP en el centro de la Tierra. No se encontró evidencia de una señal y se establecieron límites superiores de 90% CL en la tasa de aniquilación y el flujo de muones resultante como función de la masa WIMP. Asumiendo la escala natural para la sección transversal de aniquilación promediada por velocidad, se podrían derivar los límites superiores de la sección transversal de dispersión del nucleón WIMP independiente del espín. Los límites en la tasa de aniquilación son hasta un factor 10 más restrictivos que los límites anteriores. Para búsquedas indirectas de WIMP a través de neutrinos, este análisis es altamente complementario a las búsquedas solares. En particular, en WIMP masas alrededor de 50 GeV, Debido a la captura resonante de los núcleos de hierro en la Tierra, la sensibilidad de este análisis supera la de las búsquedas de aniquilaciones de WIMP en el Sol. El límite correspondiente en la sección transversal independiente del giro que se presenta aquí es el mejor establecido actualmente por IceCube. El próximo análisis que combine varios años de datos mejorará aún más la sensibilidad".

Los resultados no excedieron el error estadístico, dejándolos no concluyentes.

Newton ideó la física gravitatoria y la teoría se ajustaba a todas las observaciones de la cinemática del sistema solar. Las pequeñas discrepancias desaparecen con la introducción de la Relatividad General, que es muy consistente con las observaciones de órbitas y el uso de GPS . Hasta donde yo sé, no hay preguntas abiertas en la cinemática solar que necesiten parte de las masas medidas de los planetas/sol para explicar la materia oscura.

Desde el enlace que proporcionó, se necesitan grandes masas de estrellas de neutrones, generalmente más de 1.4 masas solares , para que se vean los efectos. Es posible que si un modelo de materia oscura se ajusta a los datos de las estrellas de neutrones, podría probarse en el sol. Las masas de los planetas ya están calculadas con el contenido que existe dentro de su radio y no tienen radios variables como en el ejemplo que enlazas, ni luminosidad que pueda tener cambios medibles, como en dos referencias en el enlace.