Una ilustración de la materia oscura concentrada en el corazón de una galaxia espiral(Crédito de la imagen: Robert Lea (creado con Canva))
Los extraños sucesos observados en el corazón mismo de la Vía Láctea podrían ser la prueba irrefutable de una nueva sospecha de materia oscura. De ser así, los científicos podrían haber pasado por alto el sutil impacto de la materia oscura, la «materia» más misteriosa del universo, en la química cósmica.
Este candidato a materia oscura recién propuesto no sólo sería más ligero que los hipotéticos sospechosos existentes, sino que también se autodestruiría. Esto significa que cuando dos partículas de materia oscura se encuentran, se destruyen mutuamente y crean un electrón con carga negativa y su equivalente con carga positiva, un positrón.
Este proceso y la avalancha de electrones y positrones proporcionarían la energía necesaria para despojar de electrones a los átomos neutros, un proceso llamado ionización, en el gas denso del centro de la Vía Láctea. Eso podría explicar por qué hay tanto gas ionizado en la región central llamada Zona Molecular Central (ZMC).
Aunque la aniquilación de la materia oscura sea poco frecuente, es lógico que se produzca con más frecuencia en el corazón de las galaxias, donde se cree que se conglomera.
«Proponemos que la materia oscura más ligera que un protón [las partículas que se encuentran en los núcleos de los átomos] podría ser responsable de un efecto inusual observado en el centro de la Vía Láctea», declaró a universeexpedition.com Shyam Balaji, jefe del equipo e investigador postdoctoral en el King’s College de Londres. «A diferencia de la mayoría de los candidatos a materia oscura, que suelen estudiarse a través de sus efectos gravitatorios, esta forma de materia oscura podría revelarse ionizando el gas, esencialmente despojando de electrones a los átomos de la ZMC».
«Esto ocurriría si las partículas de materia oscura se aniquilasen en pares electrón-positrón, que luego interactuarían con el gas circundante.»
Química de la materia oscura
Se cree que la materia oscura representa alrededor del 85% de las «cosas» del cosmos, pero a pesar de su ubicuidad, los científicos no pueden «verla» como hacen con gran parte de la materia ordinaria. Esto se debe a que la materia oscura no interactúa con la luz o, si lo hace, lo hace demasiado débilmente y con muy poca frecuencia para poder ser observada.
Esto indica a los científicos que la materia oscura no puede estar compuesta por las partículas bariónicas como electrones, protones y neutrones que componen los átomos que forman las estrellas, los planetas, las lunas y todo lo que vemos a nuestro alrededor en el día a día.
La única razón por la que los científicos creen que existe la materia oscura es porque interactúa con la gravedad y esta influencia afecta a la luz y a la materia «ordinaria».
Un diagrama muestra la proporción de materia oscura con respecto a la materia «cotidiana» que compone las estrellas, los planetas e incluso los gatos (probablemente). (Crédito de la imagen: Robert Lea (creado con Canva))
Esto ha impulsado a los científicos a mirar más allá del llamado «modelo estándar de la física de partículas» para buscar partículas que posiblemente podrían explicar la materia oscura.
Estas partículas varían en masa, expresada en electronvoltios (eV), y en características. Se propone que algunas, como esta nueva sospechosa, podrían autoaniquilarse.
Los «principales sospechosos» actuales de la materia oscura son los axiones y las partículas similares a los axiones, que presentan una amplia gama de masas. Sin embargo, Balaji y sus colegas han descartado en su mayoría los axiones y las partículas similares a los axiones como culpables de la materia oscura relacionada con la ionización del gas en la ZMC.
«La mayoría de los modelos de axiones no predicen una aniquilación significativa en pares electrón-positrón del modo en que lo hace nuestra materia oscura propuesta», afirmó Balaji. «Nuestra materia oscura propuesta tiene una masa inferior a los GeV (mil millones de eV) y se autoaniquila en electrones y positrones». “Esto la distingue porque afecta directamente al medio interestelar, creando una firma en forma de ionización extra, algo que normalmente no se espera que hagan los axiones”.
Materia oscura: Es su peor enemigo
En la densa CMZ, los positrones creados no pueden viajar muy lejos ni escapar antes de interactuar con las moléculas de hidrógeno cercanas, despojándolas de sus electrones. Eso hace que este proceso sea especialmente eficiente en esta región central.
«El mayor problema que este modelo ayuda a resolver es un exceso de ionización en la ZMC», dijo Balaji. «Los rayos cósmicos, los culpables habituales de la ionización del gas, no parecen ser lo suficientemente fuertes como para explicar los altos niveles de ionización que observamos».
Los rayos cósmicos son partículas cargadas que viajan cerca de la velocidad de la luz, pero según este equipo, la señal de ionización de la ZMC parece indicar una fuente de movimiento más lento que es más ligera que muchos otros candidatos a materia oscura.
Además, si los rayos cósmicos estuvieran ionizando gas en la ZMC, debería haber una emisión asociada de rayos gamma, que son partículas de luz de muy alta energía. Sin embargo, esta emisión falta en los estudios de la ZMC.
«Si la materia oscura es responsable de la ionización de la ZMC, significaría que estamos detectando materia oscura no viéndola, sino observando su sutil impacto químico en el gas de nuestra galaxia», dijo Balaji.
Sin embargo, existe un tenue resplandor de rayos gamma inexplicable procedente del Centro Galáctico que también podría estar relacionado con los positrones y la ionización. «Si encontramos una conexión directa entre la ionización y esta emisión de rayos gamma, podríamos reforzar la teoría de la materia oscura», afirma Balaji. «Hay cierta correlación entre estas dos señales, pero todavía necesitamos más datos en esta etapa para decir algo más fuerte».
Los núcleos galácticos, como el centro de la Vía Láctea que se ve en esta foto, están llenos de gas y escombros, lo que hace muy difícil obtener imágenes directas de las estrellas o agujeros negros que allí se encuentran. (Crédito de la imagen: NASA/JPL-Caltech, CC BY-NC)
Además, este modelo de aniquilación de la materia oscura también podría explicar una emisión luminosa característica de la ZMC que surge de positrones cargados positivamente y electrones cargados negativamente que chocan entre sí y se combinan en un estado llamado positronio, que luego decae rápidamente en rayos X, luz con un poco menos de energía que los rayos gamma.
«Los números encajan mucho mejor de lo que esperábamos. A menudo, las explicaciones sobre la materia oscura tropiezan con problemas porque predicen señales que ya deberían haber sido vistas por los telescopios», afirma Balaji. «Pero en este caso, la tasa de ionización producida por la materia oscura sub-GeV se ajusta perfectamente a las restricciones conocidas, sin contradecir las observaciones existentes de rayos gamma y del fondo cósmico de microondas (CMB)». El investigador añadió que la confluencia preliminar con la emisión de rayos X también es muy intrigante. «Se trata de una situación rara y emocionante en la investigación de la materia oscura», añadió Balaji.
Es pronto para este sospechoso de materia oscura
Por supuesto, este nuevo candidato a materia oscura se encuentra al principio de su vida teórica; ¡ni siquiera tiene un nombre apropiado como WIMP (Weakly Interacting Massive Particle) o MACHO (MAssive Compact Halo Object)! En comparación, los axiones existen desde que los físicos teóricos Frank Wilczek y Steven Weinberg los teorizaron por primera vez en 1978. Esto significa que aún queda mucho por teorizar antes de que este candidato ocupe su lugar entre los axiones, las WIMP, las MACHO, los agujeros negros primordiales y el resto de sospechosos de materia oscura.
«Necesitamos mediciones más precisas de la ionización en la ZMC; si podemos trazar un mapa más exacto de la ionización, podríamos ver si sigue la distribución esperada de la materia oscura», dijo Balaji. «Si descartamos otras fuentes potenciales de ionización, la hipótesis de la materia oscura se vuelve más convincente».
El próximo telescopio espacial de rayos gamma COSI (Compton Spectrometer and Imager) de la NASA, cuyo lanzamiento está previsto para 2027, podría aportar más pruebas de la conexión entre la aniquilación de la materia oscura y las emisiones extrañas de la ZMC.
COSI debería proporcionar mejores datos sobre los procesos astrofísicos a escala MeV (1 millón de eV), lo que podría ayudar a confirmar o descartar esta explicación de la materia oscura.
Sea como fuere, esta investigación ha proporcionado una nueva forma de estudiar la influencia de la materia oscura.
«La materia oscura sigue siendo uno de los mayores misterios de la física, y este trabajo demuestra que quizá hayamos pasado por alto sus sutiles efectos químicos en el cosmos», concluye Balaji. «Si esta teoría se cumple, podría abrir una vía completamente nueva para estudiar la materia oscura, no sólo a través de su gravedad, sino también de la forma en que moldea el tejido mismo de nuestra galaxia». La investigación del equipo se publicó el lunes 10 de marzo en la revista Physical Review Letters.
