Hay muchas cosas misteriosas en el centro de la Vía Láctea. El agujero negro supermasivo que reside allí es el principal entre ellos. Pero hay otro rompecabezas intrigante allí: una inesperada región esférica de intensas emisiones de rayos gamma.
Un nuevo estudio sugiere que la materia oscura podría estar detrás de esas emisiones.
Hay muchas fuentes de rayos gamma en el universo, y la mayoría de ellas son bien entendidas. Los pulsares, los magnetares y los cuásares producen rayos gamma. ¿Pero pueden explicar los rayos gamma que provienen del centro de nuestra galaxia?
Los rayos gamma son poderosos. Son una forma de radiación electromagnética penetrante producida por los fenómenos más energéticos del Universo. Tienen las longitudes de onda más cortas de cualquier tipo de radiación electromagnética y la energía fotónica más alta.
El exceso de rayos gamma en el corazón de la Vía Láctea es conocido por los físicos, y lo llaman el exceso del centro galáctico (CME). Sabemos mucho sobre la Vía Láctea, y ese conocimiento ha reducido las explicaciones de la CME a dos posibilidades principales: una población de púlsares, que son estrellas de neutrones que giran rápidamente, o materia oscura. Los físicos piensan que si es materia oscura, existe en una densa nube en el centro de la galaxia, colisionando consigo misma y aniquilándose para producir rayos gamma.
En 2015, un estudio mostró que la fuente de la CME era de hecho púlsares y que la materia oscura no estaba involucrada. Ese estudio provino de un equipo de investigadores de Princeton y el MIT, incluido el profesor asociado de física Tracy Slatyer. Utilizaron observaciones del centro galáctico tomadas con el telescopio espacial de rayos gamma Fermi junto con un modelo que describe todas las interacciones en la Vía Láctea que podrían producir rayos gamma. Llegaron a la conclusión de que los púlsares eran los responsables.
Pero un nuevo estudio, que también involucra a Slatyer del MIT, parece haber anulado esos resultados y apuntado a la materia oscura como la fuente de todos esos rayos gamma.
El nuevo estudio se titula "Reaparición de la hipótesis de la materia oscura para el exceso de rayos gamma del Centro Galáctico" y se publica en Physical Review Letters. Los autores son Tracy Slatyer, del Centro de Física Teórica del MIT, y Rebecca Leane, de la Facultad de Ciencias Naturales, Instituto de Estudios Avanzados. Su estudio dice que hay un problema con el anterior, y sus resultados no son confiables. Una contribución de materia oscura a la CME podría haber pasado desapercibida.
La dificultad para reducir el GCE a púlsares o materia oscura se reduce a la forma en que se emiten los fotones y a nuestra capacidad tecnológica para detectarlos. Los rayos gamma de la materia oscura serían difusos, mientras que los de los púlsares serían fuentes puntuales más concentradas. En 2015, todos los rayos gamma parecían difusos, pero eso podría deberse a que las fuentes puntuales parecen difusas a nuestros telescopios, que tienen una resolución espacial limitada. En 2015, los investigadores concluyeron que los púlsares eran los responsables.
La Vía Láctea es más o menos plana, con una protuberancia en el centro. Los rayos gamma ocupan una región esférica en el centro de aproximadamente 5.000 años luz de radio. El método que Slatyer y sus colegas desarrollaron en 2015 intentó resolver si esta región esférica era "suave" o si era "granulada". Su razonamiento fue que si los púlsares son la fuente de los rayos gamma, entonces esos rayos gamma deberían hacer que esa región esférica parezca granulada. Habría espacios oscuros entre los rayos gamma donde no había fuentes de púlsar.
Pero si los rayos gamma provenían de la materia oscura, entonces la región esférica sería lisa. "Cada línea de visión hacia el centro galáctico probablemente tiene partículas de materia oscura, por lo que no debería ver huecos o puntos fríos en la señal", explicó Slatyer.
Desarrollaron un modelo que representaba toda la materia y el gas en la Vía Láctea, y todas las interacciones de partículas que podrían producir rayos gamma. Luego consideraron modelos para la región esférica de la CME que eran granulados o lisos, y un método estadístico para distinguirlos. Luego tomaron ese modelo y alimentaron las observaciones reales del telescopio espacial de rayos gamma Fermi para ver si las observaciones se ajustan a un perfil granulado o suave.
Si las observaciones se ajustan a un perfil granulado, los púlsares podrían explicar los rayos gamma. Si encajan en un perfil liso, entonces la materia oscura podría explicarlos. El perfil granulado era un ajuste abrumador.
"Vimos que era 100 por ciento granulado, y entonces dijimos, 'oh, la materia oscura no puede hacer eso, así que debe ser otra cosa'", recuerda Slatyer. "Mi esperanza era que este sería solo el primero de muchos estudios de la región del centro galáctico utilizando técnicas similares. Pero para 2018, las principales verificaciones cruzadas del método seguían siendo las que habíamos hecho en 2015, lo que me puso bastante nervioso porque podríamos haber perdido algo ".
Finalmente Slatyer y Leane decidieron probar el modelo. Slatyer estaba preocupado de que podría no ser lo suficientemente robusto. Decidieron crear un mapa "falso" del cielo que incluye una señal de materia oscura y púlsares que no estaban asociados con la CME. Lo introdujeron en el modelo y, aunque sus datos contenían una señal falsa de materia oscura, el modelo concluyó que era granulado y, por lo tanto, dominado por el púlsar. Según Slatyer, eso era una prueba de que su modelo no era infalible, y que todavía había espacio para que la materia oscura desempeñara un papel en la CME.
"Si es realmente materia oscura, esta sería la primera evidencia de que la materia oscura interactúa con la materia visible a través de fuerzas distintas a la gravedad".
Rebecca Leane, coautora, Facultad de Ciencias Naturales, Instituto de Estudios Avanzados.
Luego, un colega sugirió que los investigadores agregaran una señal falsa de materia oscura combinada con observaciones reales de Fermi para probar su modelo, en lugar de un mapa de fondo falso.
Lo hicieron, y su modelo estadístico falló la prueba. A pesar de la suave señal de la materia oscura, el modelo devolvió un resultado granulado dominado por el púlsar. Aumentaron su señal de materia oscura a cuatro veces el tamaño del GCE real y aún así su modelo no pudo detectarlo.
"" En ese momento, estaba bastante emocionado, porque sabía que las implicaciones eran muy grandes, significaba que la explicación de la materia oscura había vuelto a la mesa ", dice Leane.
Si estos resultados más recientes son correctos, entonces es un gran problema.
"Si se trata realmente de materia oscura, esta sería la primera evidencia de que la materia oscura interactúa con la materia visible a través de fuerzas distintas a la gravedad", dice Leane. “La naturaleza de la materia oscura es una de las mayores preguntas abiertas en física en este momento. Identificar esta señal como materia oscura puede permitirnos exponer finalmente la identidad fundamental de la materia oscura. No importa cuál sea el exceso, aprenderemos algo nuevo sobre el universo ".
"Es emocionante porque pensamos que habíamos eliminado la posibilidad de que esto sea materia oscura", dijo Slatyer en un comunicado de prensa. "Pero ahora hay una laguna, un error sistemático en el reclamo que hicimos. Vuelve a abrir la puerta para que la señal provenga de la materia oscura.
Este nuevo resultado se publica en la revista Physical Review Letters, número del 11 de diciembre.
Más:
- Comunicado de prensa del MIT: ¿Hay materia oscura en el centro de la Vía Láctea?
- Documento de investigación: Resurgimiento de la hipótesis de la materia oscura para el exceso de rayos gamma del Centro Galáctico
- Wikipedia: Partículas masivas de interacción débil (WIMP)
