Después de un estudio detallado de los datos recopilados durante 15 años por el Telescopio Espacial Fermi de Rayos Gamma de la NASA sobre el halo galáctico de la Vía Láctea, investigadores japoneses afirman tener evidencia directa de la detección de esquivas partículas de materia oscura en el universo.
De confirmarse el descubrimiento, representaría una auténtica revolución en el campo de la física, que obligaría a modificar el modelo estándar de la física de partículas (que es una teoría que describe con precisión la estructura fundamental de la materia). Además, tendría enormes consecuencias en cosmología a la hora de explicar la formación y evolución de los cúmulos de galaxias.
Este innovador trabajo fue publicado en el Journal of Cosmology and Astroparticle Physics y su único autor es el astrofísico japonés Tomonori Totani.
Totani afirma que el patrón energético encontrado en su investigación podría ser la primera evidencia directa de las llamadas partículas masivas que interactúan débilmente (VIMP), aunque la comunidad científica insta a cautela y verificación independiente antes de confirmar un hallazgo que podría transformar la física actual.
Invisible para cualquier telescopio
La hipótesis ampliamente aceptada es que la materia oscura está formada por estos esquivos VIMP, cientos de veces más masivos que los protones y de movimiento muy lento. Debido a que no absorben ni emiten luz ni interactúan con ninguna partícula observada, su detección directa mediante instrumentos ópticos como un telescopio es imposible.
El cúmulo de Coma (con hasta 1.000 galaxias identificadas) es el lugar del cosmos donde apareció la primera evidencia de materia oscura. En 1930, el astrónomo suizo Fritz Zwicky notó que estas galaxias se movían demasiado rápido para la gravedad creada por la materia ordinaria observada. Debieron haber escapado del grupo, pero en lugar de eso permanecieron juntos.
En otras palabras, no había suficiente masa visible para mantener unidas tantas galaxias. La materia oscura en el cúmulo de Coma es tan predominante que constituye aproximadamente el 90% de su masa total.
Imagen en falso color de la región central del cúmulo de Coma donde se combinan imágenes de luz infrarroja y visible para revelar miles de galaxias muy débiles (verde). Crédito: NASA/JPL-Caltech/L. Jenkins (GSFC). CC-BI
Después de estas observaciones, Zwicky sugirió que podría haber una forma invisible de materia que creara la gravedad adicional que mantiene unidas a estas galaxias. Lo llamó "Dunkle Materie" ("materia oscura" en alemán).
Posteriormente, en la década de 1970, la astrónoma estadounidense Vera Rubin recurrió a este concepto para explicar la velocidad anómala de las estrellas en los bordes exteriores de las galaxias espirales. Hoy en día, aunque no todos los astrónomos están de acuerdo sobre la verdadera naturaleza de la materia oscura, su existencia es ampliamente aceptada.
Imagen del cúmulo Bala (formado por dos cúmulos de galaxias en colisión) tomada por el Telescopio Espacial Hubble, el Observatorio de Rayos X Chandra de la NASA y el Telescopio Gigante de Magallanes en la Tierra. La materia visible aparece en tonos rosados, mientras que la materia oscura del cúmulo aparece en tonos azules. Esta observación representa uno de los ejemplos directos más claros de la existencia de materia oscura. Créditos: Rayos X: NASA/CKSC/CfA/M.Markevitch, Mapa óptico y de lentes: NASA/STScI, Magellan/U.Arizona/D.Clove, Mapa de lentes: ESO VFI. CC-BI
La materia oscura constituye la mayor parte de la masa de las galaxias y los cúmulos de galaxias. Los astrónomos estiman que la materia visible constituye sólo alrededor del 5% del universo, mientras que la materia oscura representa alrededor del 27%. El 68% restante correspondería a energía oscura y sería responsable de la expansión acelerada del universo, aunque aún se desconoce su naturaleza exacta.
Distribución en el universo de materia ordinaria o visible (5%), materia oscura (27%) y energía oscura (68%). Crédito: Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA. CC BI Emiten radiación muy energética cuando se destruyen
Como mencionamos anteriormente, estas partículas de materia oscura no pueden ser detectadas por ningún telescopio porque no emiten ni absorben luz en ninguna longitud de onda. Ahora cabe preguntarse ¿cómo se pueden detectar mediante observación directa?
La buena noticia es que los VIMP hipotéticos se cancelarían entre sí al interactuar, produciendo radiación de alta energía en forma de rayos gamma. De hecho, los investigadores están analizando datos del Telescopio Espacial Fermi de Rayos Gamma de la NASA para buscar signos de interacción VIMP y aniquilación mutua. Este es el caso de la sorprendente investigación del astrónomo Tomonori Totani.
Por tanto, el exceso de radiación gamma de alta energía en determinadas regiones galácticas se originaría en la aniquilación de partículas de materia oscura y podría ser evidencia de la existencia de VIMPs. Lo que se discute es si la prueba es concluyente o si se trata de una hipótesis especulativa.
Secuencia del proceso de aniquilación de dos partículas de materia oscura o VIMP (imagen superior e central) y la posterior producción de dos fotones de rayos gamma de alta energía (imagen inferior). Crédito: NASA/Centro de vuelos espaciales Goddard. CC BI Una señal que confirmaría la existencia de materia oscura
En este nuevo estudio, Totani analizó datos del halo de la Vía Láctea, una región esférica de estrellas viejas que rodea nuestra galaxia y que se dice que tiene una alta concentración de materia oscura.
Una interpretación artística del halo interior y exterior de la Vía Láctea. Créditos: NASA, ESA y A. Feild (STScI). CC-BI
Un análisis detallado de los datos en esta región galáctica reveló un exceso de rayos gamma de alta energía, alrededor de 20 gigaelectronvoltios (20 GeV). Además, el espectro de energía encontrado coincide perfectamente con la predicción teórica de la aniquilación de VIMP, lo que sugiere que las partículas tienen una masa aproximadamente 500 veces la de un protón.
Mapa de intensidad de radiación gamma en la zona de interés para el estudio (halo de la Vía Láctea). La barra gris horizontal en la región central corresponde a la región del plano Galáctico, que está excluida del análisis. Crédito: Tomonori Totani, Universidad de Tokio. CC-BI
Según los autores del estudio: "Detectamos rayos gamma de energía extremadamente alta que se extienden en una estructura similar a un halo hacia el centro de la Vía Láctea. El componente de emisión de rayos gamma se parece mucho a la forma esperada de un halo de materia oscura".
Además, este patrón tan específico de radiación gamma no se explica fácilmente por otros eventos astronómicos alternativos, como las supernovas o los púlsares que giran rápidamente.
El trabajo de Totani proporciona una indicación plausible de la emisión de rayos gamma a partir de la aniquilación de la materia oscura, aunque no está exenta de incertidumbre y está lejos de ser concluyente.
Precaución necesaria ante estos nuevos resultados
"Afirmaciones extraordinarias requieren evidencia extraordinaria. Esas palabras de Carl Sagan resumen perfectamente cómo debe proceder la ciencia ante resultados tan revolucionarios como los propuestos en este nuevo estudio de la materia oscura."
Este nuevo descubrimiento está entrando ahora en un período de intenso examen y verificación por parte de otros grupos de investigación.
Será necesario realizar análisis independientes para confirmar esta señal característica de 20 GeV asociada con partículas VIMP, posiblemente en otros entornos ricos en materia oscura, como las galaxias enanas en el halo de la Vía Láctea.
Tendremos que esperar para saber si este interesante trabajo sienta las bases para una detección sólida de la elusiva "materia perdida" que tanto ha desconcertado a los astrónomos en las últimas décadas.
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