No puedes ver la materia oscura, ¿verdad? Utilizando el telescopio de rayos gamma Fermi de la NASA, el científico japonés Tomonori Totani de la Universidad de Tokio observó un exceso con una energía de unos 20 gigaelectronvoltios. La radiación proviene del centro de nuestra galaxia de origen. Según él, este exceso significa que las partículas de materia oscura se destruyeron entre sí en el acto y finalmente las convirtieron en esta forma de radiación de alta energía a través de productos intermedios. La investigación fue publicada en el “Journal of Cosmology and Astroparticle Physics”.
Junto con la energía oscura, la materia oscura es uno de los componentes misteriosos del universo. Ambos tienen una influencia decisiva en la estructura y el destino del cosmos. Ambos aún no se entienden físicamente. Lo que está claro es que varias observaciones astronómicas independientes entre sí hablan a favor de la materia y la energía oscuras. Son partes importantes del modelo estándar de cosmología. Los modelos alternativos que no requieren componentes oscuros aún no han convencido a los expertos.
WIMP misteriosos
Una hipótesis popular y favorecida es que detrás de la materia oscura puede haber una nueva partícula elemental aún no detectada directamente, tal vez incluso varias. Una forma de estas partículas de materia oscura se llama WIMP. El acrónimo significa partícula masiva que interactúa débilmente. Interactuar débilmente significa que la partícula sólo siente la fuerza débil. Según el modelo estándar de la física de partículas, es una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza y es, entre otras cosas, responsable de algunas desintegraciones radiactivas. En este contexto, masivo significa que los WIMP tienen una masa mucho mayor que la del protón, quizás más de cien veces más. Por otro lado, también sientes la gravedad. Sin embargo, los WIMP no participan en interacciones electromagnéticas fuertes. Esta última es la razón por la que son invisibles: la materia oscura no absorbe, refleja ni emite luz.
A la caza de materia oscura
La materia oscura se ha estado buscando durante muchas décadas después de que Fritz Zwicky la postulara en los años 1930. Existen numerosos experimentos en la superficie, sobre todo bajo tierra y sobre todo para detectar directamente partículas de materia oscura. Una pista: podrían revelarse entre sí porque las partículas de materia oscura se destruyen entre sí y producen una firma de radiación clara. Aquí es donde entra en juego el análisis del astrónomo japonés Tomonori Totani. Utilizó datos de observación del telescopio espacial Fermi de la NASA, que puede detectar rayos gamma.
Los rayos gamma se encuentran entre las ondas electromagnéticas más energéticas. Tienen incluso más energía que los rayos X y se caracterizan por una forma especial de radiactividad, la desintegración gamma. Totani utilizó datos de Fermi del centro de la Vía Láctea. Gran parte de la radiación gamma proviene de allí, apareciendo como un halo difuso alrededor del centro de la galaxia.
© Tomonori Totani, Universidad de Tokio (detalle)
Halo difuso de radiación gamma | El centro de nuestra galaxia se encuentra exactamente en el centro de la imagen en las coordenadas galácticas (0, 0). El cinturón de la Vía Láctea, que se ha ocultado aquí para suprimir la «radiación de interferencia» que emite, está sombreado en gris. La radiación gamma registrada con el telescopio espacial Fermi muestra una emisión redondeada alrededor del centro de la galaxia, un halo. La intensidad de los rayos gamma aumenta en esta representación de colores falsos, desde turquesa y azul hasta negro, rojo, naranja y amarillo.
¿Partículas destruidas?
La materia puede transformarse en radiación electromagnética cuando una partícula se encuentra con su antipartícula. Este proceso se llama aniquilación, aniquilación o aniquilación de pareja. El ejemplo más conocido, también confirmado experimentalmente, es la aniquilación de un electrón con carga eléctrica negativa por un positrón con carga eléctrica positiva. Sus masas en reposo cambian según la famosa fórmula de Einstein Y = mc2 en ondas electromagnéticas. Son rayos gamma con una energía de 511 kiloelectronvoltios. La radiación de aniquilación de pares electrón-positrón se ha demostrado de forma convincente en el espectro gamma.
En astronomía, la radiación se divide en un espectro de modo que se mide el brillo o la intensidad para cada rango de energía de la radiación gamma. Este camino está modelado físicamente y, si los datos de observación se pueden reproducir, permite sacar conclusiones sobre lo que está sucediendo en la fuente.
El enfoque de Totani fue ajustar los datos de Fermi a modelos. En el espectro gamma, que Fermi registró como puntos de medición negros en un rango de energía de radiación de 1 a 1000 mil millones de electronvoltios (gigaelectrones voltios, abreviado GeV), un máximo de intensidad se encuentra generalmente alrededor de 20 GeV. Las líneas coloreadas representan diferentes modelos para explicar la forma del espectro. Una tesis: los WIMP se aniquilan entre sí y proporcionan energía para un par de quarks inferiores (b) y un quark antiinferior (línea roja continua en el diagrama). Alternativamente, la energía en reposo de las partículas de materia oscura se puede convertir en un par que consta de un W+– y W–-El bosón existe (línea punteada azul). En un tercer modelo, la energía reparadora se transforma en un par de partículas tau (línea verde discontinua y punteada). Estas partículas son partículas hermanas pesadas del electrón y del positrón. Se pueden excluir claramente según la curva. Todas las partículas mencionadas (quarks bottom, bosones W y partículas tau) están establecidas en el modelo estándar de física de partículas y han sido verificadas experimentalmente. Aquí actúan como productos intermedios que deberían surgir de los WIMP destruidos y luego descomponerse rápidamente en rayos gamma.
El espectro observado con Fermi encaja perfectamente con la tendencia de la curva roja del modelo. Aquí una masa en reposo mχ de 0,51 teraelectronvoltios (TeV) para la partícula de materia oscura, lo que corresponde a 510 GeV. Esto haría que el WIMP fuera unas 510 veces más masivo que un protón. Totani dice que la masa del WIMP podría alcanzar los 800 GeV debido a las incertidumbres.
© Tomonori Totani, Universidad de Tokio (detalle)
Espectro de radiación gamma | La radiación gamma observada con el observatorio espacial Fermi se muestra como puntos de datos negros con incertidumbres de medición. Su intensidad depende de la energía de la radiación y alcanza un máximo de unos 20 mil millones de electronvoltios (gigaelectrones voltios, abreviado GeV). Este es el exceso documentado por el astrónomo Totani. Las líneas coloreadas representan modelos para reproducir este exceso. Totani lo interpreta como radiación de aniquilación de partículas de materia oscura.
En el pasado se publicaron una y otra vez supuestos descubrimientos de tales partículas de materia oscura, que luego resultaron insostenibles. ¿Quizás exista un proceso físico previamente desconocido que no tenga nada que ver con la materia oscura? ¿O el detector nos está engañando y genera supuestos datos de medición basados en un error sistemático? Todo esto sucedió. Pero el método científico es sólido: los errores se descubrirán tarde o temprano. La inteligencia del enjambre de investigadores revelará una vez más si realmente hay materia oscura detrás de estas observaciones de Fermi. En una etapa posterior, ayudaría a confirmar el exceso de nuevas observaciones de rayos gamma, por ejemplo utilizando galaxias enanas. Aquí también se sospecha la presencia de materia oscura.
