No importa de dónde venga la afirmación de que se descubrió por primera vez la materia oscura. En cualquier caso hay que cogerlo con pinzas. Todo proceso de observación científica requiere prudencia, y para la astrofísica actual es un problema de complejidad prácticamente insuperable. Se necesita otra rama de la ciencia para resolver el misterio: la física de partículas.
Planteemos el dilema desde esa perspectiva: ¿cómo podemos afirmar haber podido descubrir algo invisible, es decir, algo que no reacciona electromagnéticamente?
El lenguaje de la luz.
La materia oscura no emite ni absorbe fotones, ni cambia su trayectoria cuando los encuentra. Es decir, no habla el idioma de la luz. Y eso es porque carece del aparato de voz necesario: no tiene carga eléctrica, ni un cuanto de campo electromagnético.
Pero este pequeño problema no es exclusivo de la materia oscura, y ahí es donde podemos desenmarañar el enredo. Los neutrinos tampoco interactúan con la luz. Sin embargo, cuando chocan con los neutrones, producen partículas cargadas: electrones y protones. Los electrones son los más ágiles y versátiles a la hora de interactuar con la luz.
En definitiva, la física de neutrinos es el generador del electromagnetismo y, por supuesto, de sus cuantos: los fotones. ¿Podría la física de estas partículas ser aplicable a la física de la materia oscura?
Materia oscura y rayos gamma
¿Y si la materia oscura fuera unas VIMP (Weakly Interacting Massive Particles), es decir, otro tipo de partícula que está interactuando ligeramente, como ocurre con los neutrinos? Un estudio del astrofísico japonés Tomonori Totani se basa en esa sugerencia: la detección de rayos gamma en el halo de la Vía Láctea como evidencia de la observación de materia oscura.
Supongamos que, de hecho, está hecho de algún VIMP. En ese caso, tal vez sus colisiones con hadrones producirían cascadas de partículas cargadas y estelas de luz que las acompañarían. Y podría revelarse.
Entre los posibles productos de estas colisiones se encuentran los quarks, que, al no poder moverse libremente, se combinarían para formar piones neutros. Seguimos el proceso y esos piones neutros se desintegran en rayos gamma. Y ahora tenemos exactamente lo que queríamos: un canal de producción de la radiación electromagnética más energética imaginable: los rayos gamma detectados por el laboratorio Fermi en el halo de la Vía Láctea y que sirven al investigador japonés como señal de materia oscura.
Con los rayos gamma finalmente tenemos algo que podemos detectar preservando la esencia de su origen físico. Estos fotones de tan alta frecuencia que caen en la ventana de rayos gamma tienen una tremenda facilidad para atravesar la materia ordinaria de la galaxia. Sólo se detienen mediante procesos muy enérgicos y estadísticamente desfavorables. No solo eso, cortan el halo de materia oscura como un cuchillo corta la mantequilla, y podemos encontrar su fuente.
El halo de la Vía Láctea
Eso es todo por la explicación cuántica. Ahora le toca el turno a otro socio senior en la búsqueda de respuestas: la astrofísica. Éste será el encargado de decirnos qué es el halo que acabamos de deslizar con el cuchillo de rayos gamma, haciéndonos pasar por inocentes. Recurro a una vieja metáfora.
La parte brillante de la galaxia, el disco, es como el filamento de una auténtica bombilla incandescente, de esas que no sirven. Hay estrellas allí. Ahora bien, como es común en física, imaginemos que el vidrio del bulbo es esférico, ¿de qué otra manera? Este sería el límite del halo. Así como una bombilla se llena de argón, el halo se llena de materia oscura. Los tamaños relativos también encajan con la historia: el disco galáctico de nuestra galaxia tiene un radio de 50 mil millones de años luz, y el halo tiene aproximadamente 5 veces ese radio.
El halo de materia oscura tiene un impacto astrofísico innegable. Contiene la mayor parte de la masa de la galaxia y sus alrededores, mucho más que todas las estrellas del disco juntas. Por ejemplo, en la Vía Láctea por cada kilogramo de materia ordinaria hay entre 5 y 9 kilogramos de materia oscura. Entonces, lógicamente, es el que domina los procesos gravitacionales a escalas galácticas. Pero las supuestas evidencias de materia oscura descubiertas por investigadores japoneses no tienen nada que ver con la gravedad, sino con la luz.
Evidencia brillante
Utilizando datos del telescopio Fermi-LAT, Totani afirma haber encontrado un exceso difuso de rayos gamma, es decir, "más rayos gamma de los esperados". Es más, ese exceso tiene una "energía típica" -un valor muy repetido- de unos 20 gigaelectronvoltios (GeV), que es simplemente una forma de medir la energía de esos rayos gamma. Este valor podría corresponder a un VIMP de varios GeV. Es decir, partículas de materia oscura.
Geometría suave
Esta radiación adicional se entiende como difusa porque no parece estar concentrada en un solo punto ni proviene de una fuente identificable. Al contrario, se extiende libremente por una amplia zona del cielo. Además, la distribución de estos fotones energéticos excedentes es casi esférica y decae del mismo modo que los perfiles muy populares para construir modelos de materia oscura.
El autor del artículo afirma que no se conoce ningún tipo de fuente astrofísica que produzca una señal con estas dos características específicas. Por un lado está la presencia de ese pico de radiación, y por otro, la geometría suave y extendida. Por todo ello, señala con cautela que podría ser un candidato a la primera evidencia de materia oscura.
Comparación con galaxias enanas
Para comprobar si esta posible señal tiene sentido, contamos con un recurso clave: las galaxias enanas. Se trata de sistemas con muy pocas estrellas, casi sin gas, casi sin formación estelar y sin agujeros negros activos. En resumen, prácticamente no tienen actividad astrofísica. A su vez, están dominados por la materia oscura; de hecho, puede constituir hasta el 90% de su masa. Estas características los convierten en laboratorios ideales para la búsqueda de materia oscura. Si existiera, detectar la señal en el centro de la Vía Láctea sería sencillo.
Pero Fermi-LAT no encontró nada parecido, como admite el propio Totani. Además, el artículo no ofrece ningún mecanismo para explicar esta discrepancia.
Mejora del conocimiento
Las burbujas gigantes que emiten rayos gamma fueron descubiertas por el Telescopio Espacial Fermi de Rayos Gamma de la NASA. Son como un reloj de arena, que se extiende unos 50.000 años luz de un extremo a otro, comparable en tamaño a la parte central y más densa del disco estelar de la Vía Láctea. ESA/KSMM-Newton/G. Ponti et al. 2019; ESA/Gaia/DPAC (mapa de la Vía Láctea), CC BI
Extraer la señal limpia obtenida por los investigadores japoneses requiere un proceso de limpieza extraordinario. Procesos astrofísicos de tan alta complejidad podrían provocar importantes irregularidades en el halo supuestamente esférico.
Por ejemplo, tenemos que restar el efecto de las burbujas de Fermi, dos nubes gigantes de rayos gamma que emanan del centro de la galaxia. Probablemente sean restos de un episodio violento del pasado, y su presencia dificulta detectar una señal débil como el exceso de luz que supuestamente se detecta y asocia con la materia oscura.
Ahora solo nos queda esperar y ver si la burbuja del sueño sobre la detección de materia oscura estalla. Pero incluso cuando eso sucede, todo el proceso de probar o refutar la afirmación del descarado proponente tiene valor. El mérito está en la serie de círculos y vueltas de un mismo circuito. En cada ruta conocemos mejor las curvas y rectas. Hasta que un día un gran descubrimiento nos lleva por la tangente, abriendo una infinita autopista de conocimiento.
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