Los rayos gamma que emergen de las estrellas de neutrones en el centro de las explosiones de supernovas podrían resolver el misterio de la materia oscura en sólo 10 segundos. Es decir, si la materia oscura está compuesta de axiones, que son hipotéticas partículas ligeras que actualmente son las principales candidatas a formar materia oscura.
El equipo de la Universidad de California en Berkeley detrás de esta teoría cree que si es cierta, una supernova en erupción lo suficientemente cerca de la Tierra nos permitiría detectar sus emisiones de luz de alta energía y confirmar la masa de axiones y por lo tanto envolver todo materia oscura rompecabezas.
La explosión de supernova requerida tendría que provenir de una estrella masiva que muera y explote dentro de la vía láctea o una de sus galaxias satélites, como la Gran Nube de Magallanes. Este tipo de eventos ocurren cada pocas décadas, en promedio, siendo el último supernovadesignado supernova 1987Aque entró en erupción dentro de la Gran Nube de Magallanes en 1987.
Si los investigadores están en lo cierto, la búsqueda de materia oscura, que ha preocupado a los astrónomos durante décadas, podría resolverse en un futuro muy próximo con un poco de buena suerte.
Para detectar los reveladores rayos gamma se necesitaría el único telescopio espacial de rayos gamma de la humanidad, el Telescopio espacial Fermi de rayos gammapara apuntar en la dirección de la supernova cercana cuando explote. Si se tiene en cuenta el campo de visión de Fermi, esto tiene una probabilidad de 1 entre 10 de suceder.
El equipo cree que una sola detección de rayos gamma de una estrella de neutrones en el centro de los restos de una supernova sería suficiente para determinar la masa del axión a partir de una amplia gama de masas teóricas sugeridas actualmente para estas partículas hipotéticas. El equipo está particularmente interesado en la detección de un tipo de axión llamado 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 moderno de rayos gamma, podríamos detectar o descartar este axión QCD», dijo Benjamin Safdi, autor principal de la investigación y profesor asociado de física en la Universidad de california berkeley, dijo en un comunicado. «Y todo sucedería en 10 segundos».
¿Por qué los rayos gamma?
La materia oscura constituye un problema tan preocupante para los científicos porque pesa más que las partículas de la «materia cotidiana» en el universo en una proporción de 5 a 1. Esto es significativo porque cada estrella, nube de polvo cósmico, luna, asteroide, planeta, ser humano, animal y cada objeto inanimado que llena nuestras vidas se compone de materia cotidiana.
La materia oscura también es complicada porque no interactúa con la luz o, si lo hace, esta interacción es tan débil que no podemos verla. Eso hace que la materia oscura sea efectivamente invisible. Como la búsqueda del partículas que podrían formar materia oscura ha continuado, los axiones han surgido como los principales candidatos.
Esto es útil porque estas partículas no sólo encajan bien dentro del Modelo estándar de física de partículas.; también explican otros misterios. Por ejemplo, podrían ser la clave para unificar la teoría de la gravedad de Albert Einstein, relatividad generaly física cuántica.
«Parece casi imposible tener una teoría consistente de la gravedad combinada con la mecánica cuántica que no tenga partículas como el axión», explicó Safidi.
Mientras muchos experimentos terrestres han buscado en el zoológico de partículas para confirmar la existencia de axiones, muchos científicos han centrado su atención en las estrellas más extremas del universo, estrellas de neutroneslo que sugiere que podrían albergar estas partículas hipotéticas.
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 afuera que han estado generando durante miles de millones de años. Esto significa que estas estrellas ya no pueden sostenerse contra el empuje interno de sus propias estrellas. gravedad.
A medida que sus núcleos colapsan rápidamente, ondas de choque llegan a las capas superiores de estas estrellas masivas, provocando supernovas que eliminan la mayoría de las masas de las estrellas. El resultado son estrellas de neutrones con masas entre una y dos veces la del Sol y un ancho de alrededor de 20 kilómetros (12 millas).
Los científicos han propuesto buscar axiones creados dentro de las estrellas de neutrones justo después de que se produzca el colapso del núcleo de la supernova que las genera. Este esfuerzo se ha centrado principalmente 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 eficiente para crear rayos gamma, al menos no en volúmenes suficientes para detectarlos desde la Tierra. Por lo tanto, cambiaron su atención a un proceso cósmico similar, pero esta vez que ocurre en los poderosos campos magnéticos que rodean las propias estrellas de neutrones. Descubrieron que esta región puede estimular de manera eficiente un estallido de rayos gamma que se correspondería con la masa de los axiones y coincidiría con un estallido de «partículas fantasma», o neutrinosdesde el corazón de la respectiva estrella de neutrones.
Esta explosión de axiones duraría sólo 10 segundos después de la formación de la estrella de neutrones, y la tasa de producción de estas hipotéticas partículas caería dramáticamente horas antes de que explotaran las capas externas de la estrella.
«Esto realmente nos ha llevado 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 fuertes. Los campos magnéticos más fuertes de nuestro universo se encuentran alrededor de estrellas de neutrones, como magnetaresque tienen campos magnéticos decenas de miles de millones de veces más fuertes que cualquier cosa que podamos construir en el laboratorio. Eso ayuda a convertir estos axiones en señales observables».
Siguiendo esta línea de investigación, y considerando la velocidad a la que las estrellas de neutrones se enfrían a medida que producen axiones y neutrinos, Safdi y sus colegas determinaron que la masa superior del axión QCD probablemente sería 32 veces más pequeña que la masa del electrón.
En este nuevo trabajo, el equipo describió la producción de rayos gamma siguiendo la supernova de colapso del núcleo que creó una estrella de neutrones y consideró la importancia del hecho de que Fermi no detectó rayos gamma cuando explotó la supernova 1987A. Esto llevó a los investigadores a concluir que la detección de rayos gamma de un evento explosivo de este tipo les permitiría detectar el axión QCD si tiene una masa superior a una 10 mil millonésima parte de la masa del electrón. Sostienen que una sola detección sería suficiente para reorientar la búsqueda de axiones y ayudar a confirmar su masa.
«El mejor escenario para los axiones es que Fermi atrape una supernova. Sólo que la posibilidad de que eso ocurra es pequeña», dijo Safdi. «Pero si Fermi lo viera, podríamos medir su masa. Podríamos medir su fuerza de interacción. Podríamos determinar todo lo que necesitamos saber sobre el axión, y seríamos increíblemente «Confío en la señal porque no hay materia ordinaria que pueda crear tal evento».
El equipo es consciente de que existe el peligro de perderse los rayos gamma creados por los axiones resultantes de la próxima erupción de supernova tan esperada en las proximidades de la Vía Láctea.
Para evitar este resultado, el equipo está trabajando con científicos constructores de telescopios de rayos gamma para determinar qué tan factible sería observar el 100% del cielo las 24 horas del día, los 7 días de la semana. Esto garantizaría que se detectaría cualquier rayo gamma que escapara de una supernova. Los investigadores han propuesto que la constelación de satélites de rayos gamma que ocupa todo el cielo se denomine Instrumento de Axión Galáctico para Supernova (GALAXIS).
«Creo que todos los que trabajamos en este artículo estamos estresados por la posibilidad de que haya una próxima supernova antes de que tengamos la instrumentación adecuada», dijo Safdi. «Sería una verdadera lástima que mañana estallara una supernova y perdiéramos la oportunidad de detectar el axión; es posible que no regrese hasta dentro de 50 años».
La investigación del equipo fue publicada el 19 de noviembre en la revista Cartas de revisión física.
