La materia oscura (MD) sigue siendo uno de los mayores enigmas para los astrónomos, astrofísicos y cosmólogos. Hace seis décadas, la teoría de que el Universo estaba lleno de masa que no interactuaba con la materia normal en luz visible se convirtió en una parte aceptada de nuestros modelos cosmológicos. Sin embargo, todos los esfuerzos por detectar esta misteriosa materia en el espacio o sus partículas constituyentes en un laboratorio han dado resultados nulos. No obstante, los científicos han desarrollado varios métodos prometedores que les están ayudando a acotar la búsqueda de la MD y a medir su influencia en el cosmos.
Un método en particular es la búsqueda de “materia oscura en descomposición” (MDD), un modelo teórico donde las partículas de MD se desintegran lentamente a lo largo de escalas de tiempo cósmicas en partículas más ligeras o incluso sin masa. En teoría, este proceso produciría firmas únicas no vistas en la materia normal, como rayos X, rayos gamma o señales de neutrinos. Según un nuevo estudio de la colaboración internacional XRISM, la MDD podría detectarse potencialmente buscando líneas de emisión de rayos X no identificadas en los espectros de cúmulos de galaxias.
Los datos resultantes podrían revelar la naturaleza de las partículas de MD, su masa e interacciones, y otra información vital. Hasta la fecha, las Partículas Masivas que Interactúan Débilmente (WIMPs) se consideran el candidato principal para la MD. Estas partículas hipotéticas son masivas, pero interactúan con la materia normal solo a través de la gravedad y la fuerza nuclear débil. Sin embargo, en las últimas décadas han surgido otros candidatos, como los axiones y los “neutrinos estériles”.
*Galaxy cluster Abell 2319. Credit: XRISM/ESA*
La Dra. Ming Sun, profesora del College of Science de la University of Alabama in Huntsville (UAH) y autora principal del proyecto, lo explicó en un comunicado de prensa de UAH.
Un neutrino estéril es un tipo hipotético de neutrino que solo interactúa con otras partículas a través de la gravedad, a diferencia de los tres neutrinos “activos” conocidos que también interactúan a través de la fuerza débil. La existencia del neutrino estéril está bien motivada teóricamente y puede explicar la masa muy pequeña, pero no nula, de los neutrinos regulares. Los neutrinos estériles pueden desintegrarse en dos fotones con la misma energía. Los modelos pueden predecir la tasa de desintegración de los neutrinos estériles, que luego se restringe a partir de los datos.
Las líneas de emisión de rayos X son únicas en su capacidad para identificar la presencia de elementos pesados (como el hierro, el silicio y el oxígeno) que han sido expulsados de los cúmulos de galaxias. Estas aparecen como picos en un espectro de rayos X cuando los electrones caen de una capa de energía superior a una inferior en un átomo, liberando rayos X en el proceso. El estudio de estas líneas no identificadas permite a los astrónomos determinar las abundancias de ciertos elementos en los cúmulos de galaxias, medir sus temperaturas y densidades de gas y aprender más sobre la física compleja que rige estas estructuras masivas.
“El 85% de la masa en los cúmulos de galaxias proviene de la materia oscura, y podemos modelar bien la distribución radial de la materia oscura”, afirmó Sun. “Por lo tanto, los cúmulos de galaxias son excelentes objetivos para esta búsqueda, ya que son ricos en materia oscura y conocemos bien la masa de la materia oscura en los cúmulos”.
*Peaks in the XRISM/Resolve indicating the presence of certain elements. Credit: XRISM/JAXA*
Tradicionalmente, los científicos han utilizado chips semiconductores sensibles a la luz conocidos como Dispositivos de Carga Acoplada (CCD) para observar las trayectorias de las partículas con la esperanza de resolver esta línea de emisión “no identificada”. En contraste, Sun y sus colegas se basaron en datos recopilados por la Misión de Imágenes y Espectroscopía de Rayos X (XRISM), un telescopio espacial desarrollado conjuntamente por la Agencia de Exploración Aeroespacial de Japón (JAXA) y la NASA, con el apoyo de la Agencia Espacial Europea (ESA). Como explicó Sun:
Casi todos los estudios anteriores utilizaron los datos de los CCD, que carecen de la resolución energética necesaria para resolver la línea no identificada. Ahora, XRISM proporciona espectros de alta resolución energética que pueden resolver la línea. Dado que las señales de la línea son muy débiles, combinamos casi tres meses de datos de XRISM para esta búsqueda. Se detectaron muchas líneas de rayos X. Se originan en átomos conocidos, como el hierro, el silicio, el azufre y el níquel. Las líneas de emisión de rayos X que aparecen en una posición diferente a la de las líneas atómicas conocidas son entonces candidatas a líneas de desintegración de la MD, que es el foco de este trabajo.
Su trabajo se basa en un estudio de 2014 dirigido por la Dra. Esra Bulbul, la científica principal de ciencia de cúmulos y cosmología del Instituto Max Planck de Física Extraterrestre (MPE). Utilizando datos de la misión XMM-Newton de la ESA, Bulbul y sus colegas detectaron una débil línea de emisión de rayos X no identificada en 73 cúmulos de galaxias. El candidato principal para esta línea de emisión es una partícula llamada “neutrino estéril”, una partícula subatómica casi sin masa que viaja cerca de la velocidad de la luz y apenas interactúa con la materia normal. De cara al futuro, Sun señala que investigar partículas candidatas alternativas es crucial para resolver el misterio de la MD:
Las WIMPs siguen siendo el candidato principal para la materia oscura, pero se han realizado miles de millones de dólares en experimentos, obteniendo límites superiores cada vez más estrictos, por lo que hay que considerar escenarios alternativos. Este estudio proporciona los límites más fuertes de los datos de alta resolución energética sobre el neutrino estéril en la banda de 5 a 30 keV, limitando posteriormente los modelos de materia oscura. Con más datos de XRISM en los próximos 5-10 años, podremos detectar la línea o mejorar sustancialmente el límite.
Lectura adicional: UAH, las Cartas de la Revista Astrofísica
