Un equipo de físicos de las universidades de Amsterdam, Princeton y Oxford ha demostrado que en grandes nubes alrededor de estrellas de neutrones pueden aparecer partículas extremadamente ligeras conocidas como axiones. Estos axiones podrían constituir una explicación para la esquiva materia oscura que buscan los cosmólogos y, además, podrían no ser demasiado difíciles de observar.
A principios de esta semana, la nueva investigación fue publicada en la revista Revisión Física X. El artículo es una continuación de un trabajo anterior, en el que los autores también estudiaron axiones y estrellas de neutrones, pero desde un punto de vista completamente diferente. Mientras que en su trabajo anterior investigaron los axiones que escapar la estrella de neutrones, ahora los investigadores se centran en los que quedan atrás: los axiones que son capturados por la gravedad de la estrella. A medida que pasa el tiempo, estas partículas deberían formar gradualmente una nube nebulosa alrededor de la estrella de neutrones, y resulta que tales nubes de axiones bien pueden ser observables con nuestros telescopios. Pero ¿por qué los astrónomos y los físicos estarían tan interesados en las nubes brumosas alrededor de estrellas lejanas?
Axiones: del jabón a la materia oscura
Protones, neutrones, electrones, fotones… la mayoría de nosotros estamos familiarizados con los nombres de al menos algunas de estas pequeñas partículas. El axión es menos conocido, y por una buena razón: por el momento es sólo un hipotético tipo de partícula, una que nadie ha detectado todavía. Su existencia, que lleva el nombre de una marca de jabón, se postuló por primera vez en la década de 1970, para solucionar un problema (de ahí la referencia al jabón) en nuestra comprensión de una de las partículas que podíamos observar muy bien: el neutrón. Sin embargo, aunque teóricamente son muy bonitos, si estos axiones existieran serían extremadamente ligeros, lo que los haría muy difíciles de detectar en experimentos u observaciones.
Hoy en día, los axiones también son conocidos como candidatos pioneros para explicar la materia oscura, uno de los mayores misterios de la física contemporánea. Muchas pruebas diferentes sugieren que aproximadamente el 85% del contenido de materia de nuestro Universo es «oscuro», lo que simplemente significa que no está formado por ningún tipo de materia que conozcamos y podamos observar actualmente. En cambio, la existencia de materia oscura sólo se infiere indirectamente a través de la influencia gravitacional que ejerce sobre la materia visible. Afortunadamente, esto no significa automáticamente que la materia oscura no tenga ninguna otra interacción con la materia visible, pero si tales interacciones existen, su fuerza es necesariamente pequeña. Como sugiere el nombre, cualquier candidato viable a materia oscura es increíblemente difícil de observar directamente.
Al unir uno y uno, los físicos se han dado cuenta de que el axión puede ser exactamente lo que están buscando para resolver el problema de la materia oscura. Una partícula que aún no ha sido observada, que sería extremadamente ligera y que tendría interacciones muy débiles con otras partículas… ¿podrían los axiones ser al menos parte de la explicación de la materia oscura?
Estrellas de neutrones como lupas
La idea del axión como una partícula de materia oscura es agradable, pero en física una idea sólo es verdaderamente agradable si tiene consecuencias observables. Después de todo, ¿habría alguna manera de observar los axiones, cincuenta años después de que se propuso por primera vez su posible existencia?
Cuando se exponen a campos eléctricos y magnéticos, se espera que los axiones puedan convertirse en fotones (partículas de luz) y viceversa. La luz es algo que sabemos observar, pero como se mencionó, la fuerza de interacción correspondiente debe ser muy pequeña y, por lo tanto, también lo es la cantidad de luz que generalmente producen los axiones. Es decir, a menos que se considere un entorno que contenga una cantidad verdaderamente masiva de axiones, idealmente en campos electromagnéticos muy fuertes.
Esto llevó a los investigadores a considerar las estrellas de neutrones, las estrellas más densas conocidas en nuestro Universo. Estos objetos tienen masas similares a la de nuestro Sol pero comprimidos en estrellas de 12 a 15 kilómetros de tamaño. Densidades tan extremas crean un entorno igualmente extremo que, en particular, también contiene enormes campos magnéticos, miles de millones de veces más fuertes que cualquiera de los que encontramos en la Tierra. Investigaciones recientes han demostrado que si existen axiones, estos campos magnéticos permiten que las estrellas de neutrones produzcan en masa estas partículas cerca de su superficie.
Los que se quedan atrás
En su trabajo anterior, los autores se centraron en los axiones que después de la producción escaparon de la estrella: calcularon las cantidades en las que se producirían estos axiones, qué trayectorias seguirían y cómo su conversión en luz podría conducir a una débil pero potencialmente señal observable. Esta vez, consideran los axiones que no logran escapar: los que, a pesar de su pequeña masa, quedan atrapados por la inmensa gravedad de la estrella de neutrones.
Debido a las interacciones muy débiles del axión, estas partículas permanecerán alrededor de la estrella de neutrones y, en escalas de tiempo de hasta millones de años, se acumularán. Esto puede dar como resultado la formación de nubes muy densas de axiones alrededor de estrellas de neutrones, lo que brinda nuevas oportunidades increíbles para la investigación de axiones. En su artículo, los investigadores estudian la formación, así como las propiedades y la evolución posterior de estas nubes de axiones, señalando que deberían, y en muchos casos deben, existir. De hecho, los autores sostienen que si existen axiones, las nubes de axiones deberían genérico (para una amplia gama de propiedades de axiones, deberían formarse alrededor de la mayoría, quizás incluso de todas, las estrellas de neutrones), en general deberían ser muy denso (formando una densidad posiblemente veinte órdenes de magnitud mayor que las densidades locales de materia oscura), y debido a esto deberían conducir a poderosas firmas de observación. Estos últimos pueden ser de muchos tipos, de los cuales los autores analizan dos: una señal continua emitida durante gran parte de la vida de una estrella de neutrones, pero también un estallido de luz único al final de la vida de una estrella de neutrones, cuando deja de producir su radiación electromagnética. Ambas firmas podrían observarse y utilizarse para investigar la interacción entre axiones y fotones más allá de los límites actuales, incluso utilizando los radiotelescopios existentes.
¿Qué sigue?
Si bien hasta ahora no se han observado nubes de axiones, con los nuevos resultados sabemos con mucha precisión qué buscar, lo que hace que una búsqueda exhaustiva de axiones sea mucho más factible. Si bien el punto principal de la lista de tareas pendientes es la «búsqueda de nubes de axiones», el trabajo también abre varias vías teóricas nuevas para explorar.
Por un lado, uno de los autores ya está involucrado en un trabajo de seguimiento que estudia cómo las nubes de axiones pueden cambiar la dinámica de las propias estrellas de neutrones. Otra importante dirección de investigación futura es el modelado numérico de las nubes de axiones: el presente artículo muestra un gran potencial de descubrimiento, pero se necesitan más modelos numéricos para saber con mayor precisión qué buscar y dónde. Finalmente, los resultados actuales son todos para estrellas de neutrones individuales, pero muchas de estas estrellas aparecen como componentes de binarias, a veces junto con otra estrella de neutrones, a veces junto con un agujero negro. Sería muy valioso comprender la física de las nubes de axiones en tales sistemas y, potencialmente, comprender sus señales de observación.
Por tanto, el presente trabajo es un paso importante en una nueva y apasionante dirección de investigación. Una comprensión completa de las nubes de axiones requerirá esfuerzos complementarios de múltiples ramas de la ciencia, incluida la (astro)física de partículas, la física del plasma y la radioastronomía observacional. Este trabajo abre este nuevo campo interdisciplinario con muchas oportunidades para futuras investigaciones.
