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Ilustración de una estrella de neutrones sentada en el corazón de los restos de una supernova expulsando rayos gamma desde sus polos(Crédito de la imagen: Robert Lea (creado con Canva))

Los rayos gamma que emergen de las estrellas de neutrones en el corazón de las explosiones de supernova podrían resolver el misterio de la materia oscura… en sólo 10 segundos. Es decir, si la materia oscura está compuesta por axiones, que son partículas hipotéticas ligeras que actualmente son las principales candidatas a materia oscura.

El equipo de la Universidad de California en Berkeley que está detrás de esta teoría piensa que, de ser cierta, una supernova en erupción lo suficientemente cerca de la Tierra nos permitiría detectar sus emisiones de luz de alta energía, confirmar la masa de los axiones y, por tanto, dar carpetazo a todo el rompecabezas de la materia oscura.

La explosión de supernova necesaria tendría que proceder de una estrella masiva que muriera y explotara en la Vía Láctea o en una de sus galaxias satélite, como la Gran Nube de Magallanes. La última supernova cercana, denominada supernova 1987A, estalló en la Gran Nube de Magallanes en 1987.

Si los investigadores están en lo cierto, la búsqueda de la materia oscura, que ha preocupado a los astrónomos durante décadas, podría resolverse en un futuro muy próximo con sólo un poco de buena fortuna.

La detección de rayos gamma reveladores requeriría que el único telescopio espacial de rayos gamma de la humanidad, el Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi, apuntara en la dirección de la supernova cercana cuando explote. Teniendo en cuenta el campo de visión del Fermi, la probabilidad de que esto ocurra es de 1 entre 10.

El equipo piensa que una sola detección de rayos gamma procedentes de una estrella de neutrones en el centro de los restos de la supernova bastaría para determinar la masa del axión a partir de una amplia gama de masas teóricas sugeridas actualmente para estas partículas hipotéticas. El equipo está especialmente interesado en la detección de un tipo de axión denominado axión QCD. A diferencia de otros axiones hipotéticos, la masa del axión QCD depende de la temperatura.

«Si viéramos una supernova, como la supernova 1987A, con un telescopio de rayos gamma moderno, podríamos detectar o descartar este axión QCD», afirma en un comunicado Benjamin Safdi, autor principal de la investigación y profesor asociado de Física en la Universidad de California Berkeley. «Y todo ocurriría en menos de 10 segundos».

¿Por qué rayos gamma?

La materia oscura constituye un problema tan preocupante para los científicos porque supera en una proporción de 5 a 1 a las partículas de «materia cotidiana» del universo. Esto es significativo porque cada estrella, nube de polvo cósmico, luna, asteroide, planeta, ser humano, animal y cada objeto inanimado que llena nuestras vidas está compuesto de materia cotidiana.

La materia oscura también es complicada porque no interactúa con la luz o, si lo hace, es tan débil que no podemos verla. Esto hace que la materia oscura sea invisible. En la búsqueda de las partículas que podrían constituir la materia oscura, los axiones se perfilan como los principales candidatos.

Esto es útil porque estas partículas no sólo encajan perfectamente en el Modelo Estándar de la física de partículas, sino que también explican otros misterios. Por ejemplo, podrían ser la clave para unificar la teoría de la gravedad de Albert Einstein, la relatividad general y la física cuántica.

«Parece casi imposible tener una teoría coherente de la gravedad combinada con la mecánica cuántica que no tenga partículas como el axión», explicó Safidi.

Mientras muchos experimentos basados en la Tierra han buscado en el zoo de partículas para confirmar la existencia de axiones, muchos científicos han dirigido su atención a las estrellas más extremas del universo, las estrellas de neutrones, sugiriendo que podrían albergar estas hipotéticas partículas.

Ilustración de una estrella de neutrones envuelta en materia oscura (Crédito de la imagen: Robert Lea (creado con Canva))Las estrellas de neutrones nacen cuando las estrellas masivas se quedan sin el combustible necesario para la fusión nuclear en sus núcleos y cesa la presión de radiación hacia el exterior que han estado generando durante miles de millones de años. Cuando sus núcleos se colapsan rápidamente, las ondas de choque se propagan hacia las capas superiores de estas estrellas masivas, desencadenando supernovas que arrasan la mayor parte de la masa de las estrellas. El resultado son estrellas de neutrones con masas entre una y dos veces la del Sol y anchuras de unos 20 kilómetros.

Los científicos han propuesto buscar axiones creados en el interior de las estrellas de neutrones justo después de que se produzca la supernova de colapso del núcleo que las hace nacer. Este esfuerzo se ha centrado sobre todo en los axiones que producen lentamente fotones (las partículas fundamentales de la luz) de rayos gamma cuando las partículas encuentran los campos magnéticos alrededor de las galaxias.

Safdi y sus colegas teorizaron que este proceso no sería muy eficaz para crear rayos gamma, al menos no en volúmenes suficientes para detectarlos desde la Tierra. Por tanto, se centraron en un proceso cósmico similar, pero esta vez en los potentes campos magnéticos que rodean a las propias estrellas de neutrones. Descubrieron que esta región puede estimular eficazmente un estallido de rayos gamma que se correspondería con la masa de axiones y coincidiría con un estallido de «partículas fantasma», o neutrinos, procedentes del corazón de la respectiva estrella de neutrones.

Este estallido de axiones duraría apenas 10 segundos tras la formación de la estrella de neutrones, y la tasa de producción de estas hipotéticas partículas descendería drásticamente horas antes de la explosión de las capas exteriores de la estrella.

«Esto nos ha llevado realmente a pensar en las estrellas de neutrones como objetivos óptimos para la búsqueda de axiones como laboratorios de axiones», dijo Safdi. «Las estrellas de neutrones tienen muchas cosas a su favor. Son objetos extremadamente calientes. También albergan campos magnéticos muy intensos. Los campos magnéticos más potentes de nuestro universo se encuentran alrededor de las estrellas de neutrones, como los magnetares, que tienen campos magnéticos decenas de miles de millones de veces más potentes que cualquier cosa que podamos construir en el laboratorio. Eso ayuda a convertir estos axiones en señales observables».

satélites de rayos gamma de cielo completo se denomine Galactic Axion Instrument for Supernova (GALAXIS).

«Creo que a todos los que participamos en este trabajo nos estresa que haya una próxima supernova antes de que dispongamos de la instrumentación adecuada», afirmó Safdi. «Sería una verdadera lástima que mañana estallara una supernova y perdiéramos la oportunidad de detectar el axión: podría no volver hasta dentro de 50 años».

La investigación del equipo se publicó el 19 de noviembre en la revista Physical Review Letters.