En busca de la naturaleza de la materia oscura

Cúmulo de Perseo
NASA/CXO/Universidad de Oxford

Durante décadas, los científicos se esfuerzan por lograr entender y explicar la naturaleza de la materia oscura. Ahora, esto puede ser posible gracias a una interpretación bastante innovadora de algunos datos de rayos X provenientes de un cúmulo de galaxias. Los hallazgos fueron realizados por el Observatorio de rayos X Chandra de la NASA, XMM-Newton de la ESA y Hitomi (un telescopio de rayos X japonés). Más detalles del estudio en la revista Physical Review D.

"Esperamos que este resultado sea muy importante o un fracaso total", declaró Joseph Conlon, de la Universidad de Oxford, quien dirigió el nuevo estudio. Agregó además que la naturaleza de la materia oscura es una de las preguntas más importantes de la ciencia.

¿Cómo empezó todo?

Todo empezó en el año 2014 cuando Esra Buldul, del Centro Harvard-Smithsoniano de Astrofísica en Cambridge, y su equipo encontraron un pico de intensidad de energía bastante inusual en los datos arrojados por Chandra y XMM-Newton. Este pico altísimo provenía de un cúmulo de galaxias de la constelación de Perseo.

Este tipo de picos o líneas de emisión con tanta energía (3.5 keV) son prácticamente imposibles de explicar con objetos astronómicos comunes. Es por ello que se les ocurrió que la materia oscura podría ser una buena alternativa. Buldul también reportó la existencia de energía similar en otros 73 cúmulos de galaxias usando XMM-Newton.

Lo interesante de este hallazgo es que tan solo luego de que Buldul presentara su trabajo de investigación, Alexey Boyarsky de la Universidad de Leiden informó haber detectado la misma cantidad de energía (3.5 keV) con el XMM-Newton en la galaxia M31. De esta manera, los estudios de Buldul fueron confirmados.

Sin embargo, estos resultados llegaron a ser controvertidos en la comunidad astronómica debido a que otros investigadores empezaron a detectar la emisión de 3.5 keV en distintos objetos.

Todo parecía llegar a su final en 2016 cuando el telescopio de rayos X japonés Hitomi, especialmente construido para detectar estas líneas de emisión, no detectó el ya famoso 3.5 keV en el cúmulo de Perseo. Es posible pensar que al recibir estos resultados los científicos tiren la toalla y dejen de insistir. “Aquí es donde, como en cualquier buena historia, se produjo un giro interesante en la trama”, dijo la coautora del estudio Francesca Day de Oxford.

Conlon, líder del estudio, y sus colegas observaron que Hitomi entregaba imágenes mucho más difusas que Chandra. Argumentaron que esto se debía a que los datos del telescopio japonés estaban compuesta por una mezcla de señales de rayos X de dos fuentes: un componente difuso del gas caliente que envolvía a la gran galaxia en el centro del cúmulo y una emisión de rayos X cercana al agujero negro supermasivo de esta galaxia.

Para probar su hipótesis, el equipo volvió a analizar los datos de Chandra cerca del agujero negro tomados en el 2009. Y lo que hallaron fue sorprendente: evidencia de un déficit de rayos X a 3.5 keV. Esto solo sugería que algo en Perseo estaba absorbiendo los rayos X con la cantidad de energía exacta. Cuando los investigadores realizaron las simulaciones correspondientes, no encontraron nada consistente con las observaciones de Hitomi.

Fue entonces cuando empezó el verdadero desafío: explicar por qué se daba la absorción de rayos X cuando se observa el agujero negro y la emisión de rayos X con la misma energía cuando se mira el gas caliente en ángulos más grandes lejos del agujero negro.  

Chandra X-ray Observatory

Un fenómeno conocido

De hecho, tal comportamiento es bien conocido por los astrónomos que estudian las estrellas y nubes de gas con telescopios ópticos. La luz de una estrella rodeada por una nube de gas a menudo muestra líneas de absorción. Estas son producidas cuando la luz estelar de una energía específica es absorbida por átomos en la nube de gas. La absorción patea los átomos desde un estado de baja a alta energía. 

El átomo vuelve rápidamente al estado de baja energía con la emisión de luz de una energía específica, pero la luz se vuelve a emitir en todas las direcciones, produciendo una pérdida neta de luz a la energía específica, una línea de absorción, en el espectro observado de la estrella. 

En contraste, una observación de una nube en una dirección alejada de la estrella detectaría solo la luz re-emitida, o fluorescente en una energía específica, lo que se mostraría como una línea de emisión.


El último trabajo muestra la absorción de rayos X a una energía de 3.5 keV se detectó al observar la región que rodea el agujero negro supermásivo en el centro de Perseo. Esto sugiere que las partículas de materia oscura en el cúmulo absorben y emiten rayos X. Si el nuevo modelo resulta ser correcto, podría proporcionar un camino para que los científicos algún día identifiquen la verdadera naturaleza de la materia oscura.
NASA/CXC

Materia Oscura

Lo que el equipo de investigación sugiere que es que las partículas de materia oscura pueden estar cumpliendo la función de los átomos al tener dos estados de energía separados por 3.5 keV. De ser así, podría observarse una línea de absorción de 3.5keV cuando se observa en ángulos cercanos a la dirección del agujero negro y una línea de emisión cuando se mira el gas caliente del cumulo a grandes ángulos lejos del agujero negro.

"Esta no es una simple imagen para pintar, pero es posible que hayamos encontrado una forma de explicar las inusuales señales de rayos X provenientes de Perseo y descubrir una pista sobre qué es realmente la materia oscura", mencionó Nicholas Jennings, coautor del estudio.

Para seguir escribiendo sobre esta interesante historia, los astrónomos necesitarán seguir haciendo observaciones hacia el cumulo de Perseo. Mientras tanto, los observatorios astronómicos del mundo seguirán observando cúmulos para abordar el misterio de la materia oscura.

La materia oscura siempre es un tema controvertido. Hace poco se conjeturó un nuevo candidato a partícula de materia oscura e incluso se han encontrado montones de esta en dos de las galaxias más antiguas jamás observadas.

Adrian Díaz
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