Según un equipo de físicos, una partícula hipotética que podría formar la materia oscura del universo puede ser producida por estrellas de neutrones, algunos de los objetos más densos del universo, y estar suspendidas en ellas.
Las partículas son axiones, uno de varios candidatos propuestos para la llamada materia oscurala enigmática materia que constituye más de una cuarta parte de la materia del universo. Un equipo de investigadores de las universidades de Amsterdam, Princeton y Oxford postula ahora que los axiones podrían formar nubes alrededor de estrellas de neutrones, que son las Restos increíblemente densos y colapsados de estrellas muertas.. El hallazgo ofrece un nuevo campo donde los investigadores pueden centrar las búsquedas astrofísicas de materia oscura, al tiempo que destaca la utilidad potencial de un radiotelescopio en el espacio.
Posibles fábricas de materia oscura
El equipo sugiere que algunos axiones producidos dentro de las estrellas de neutrones podrían convertirse en fotones y escapar al espacio. Pero muchas de estas partículas quedarían atrapadas por la gravedad de la estrella, formando una nube axiónica alrededor de la estrella de neutrones. La investigación del grupo que describe la idea fue recientemente publicado en Revisión Física X y continúa un trabajo anterior del equipo que exploró axiones que podrían escapar de los campos gravitacionales de las estrellas de neutrones que los producen.
“Cuando vemos algo, lo que sucede es que las ondas electromagnéticas (luz) rebotan en un objeto y llegan a nuestros ojos. La forma en que 'vemos' los axiones es un poco diferente”, dijo Anirudh Prabhu, científico investigador del Centro de Ciencias Teóricas de Princeton y coautor del artículo, en un correo electrónico a Gizmodo. “Si bien la luz puede 'rebotar' en los axiones, este proceso es extremadamente raro. La forma más común de detectar axiones es mediante el efecto Primakoff, que permite que los axiones se conviertan en luz (y viceversa) en presencia de un fuerte campo magnético”.
Algunas estrellas de neutrones pueden estar entre los objetos más magnéticos del universo y, por lo tanto, reciben una etiqueta especial: magnetares. Este ambiente extremadamente magnetizado es un caldo de cultivo fértil para la conversión de axiones en luz, dijo Prabhu, que luego podría ser detectable por telescopios espaciales.
Materia oscura y ondas de axiones en el universo.
La materia oscura es el nombre general que se le da a la 27% de las cosas en el universo que los científicos no pueden observar directamente porque no emite luz y solo parece interactuar con la materia ordinaria a través de interacciones gravitacionales. Otros candidatos incluyen partículas masivas de interacción débil (o WIMP), fotones oscurosy agujeros negros primordialespor nombrar algunos. Los axiones se propusieron originalmente como una solución a un problema de la física de partículas: básicamente, algunas de las características predichas del neutrón no se observan en la naturaleza. De ahí su nombre, axions, que proviene de una marca de productos de limpieza. Después de todo, el axión se propuso como una forma de resolver algunos de los desagradables enigmas que surgieron en torno al modelo estándar de física de partículas. El año pasado, un equipo diferente de investigadores estudió los anillos de Einstein (áreas del espacio donde la luz se ha desviado fuertemente por la gravedad, formando un «anillo» visible en el espacio) y encontró evidencia que impulsa los axiones como candidato a la materia oscura.
Las ondas electromagnéticas (es decir, la luz) producidas al convertir axiones podrían tener longitudes de onda desde una fracción de pulgada hasta más de media milla (un kilómetro) de largo, señaló Prabhu. Pero la ionosfera de la Tierra bloquea longitudes de onda muy largas de los telescopios terrestres, por lo que los observatorios espaciales podrían ser nuestra mejor opción para detectar evidencia de axiones.
Las estrellas de neutrones y los axiones tienen una historia
«Está bien establecido en el campo de la física de axiones que si tienes grandes campos eléctricos variables en el tiempo paralelos a campos magnéticos, terminas con condiciones ideales para producir axiones», dijo Benjamin Safdi, físico de partículas de la Universidad de California en Berkeley, que no era afiliado al periódico reciente, en un correo electrónico a Gizmodo. “En retrospectiva, es obvio y claro que si este proceso ocurre en los púlsares, una fracción considerable de los axiones producidos podrían quedar ligados gravitacionalmente debido a la fuerte gravedad de la estrella de neutrones. Los autores merecen mucho crédito por señalar esto”.
En 2021Safdi es coautor de un papel postulando que los axiones pueden producirse en los Siete Magníficos, un grupo de estrellas de neutrones en nuestra propia galaxia. Los Siete Magníficos producen rayos X de alta frecuencia, y el equipo propuso que los axiones que se convierten en fotones podrían producir rayos X como los observados por algunos telescopios. Pero muchos de los axiones producidos en los núcleos de esas estrellas de neutrones permanecen más cerca de la fuente, afirmó el equipo reciente, y forman una gran población a lo largo de cientos de millones, si no miles de millones, de años.
«Estos axiones se acumulan en escalas de tiempo astrofísicas, formando así una densa 'nube de axiones' alrededor de la estrella», escribió el equipo en el artículo. «Si bien se requiere una comprensión más profunda de las incertidumbres sistemáticas en estos sistemas, nuestras estimaciones actuales sugieren que los radiotelescopios existentes podrían mejorar la sensibilidad al acoplamiento axión-fotón en más de un orden de magnitud».
“Sin embargo, hay muchas incertidumbres en los cálculos presentados en este trabajo; esto no es culpa de los autores; es simplemente un problema difícil y dinámico”, añadió Safdi. «También me gustaría ver un trabajo más exhaustivo sobre las perspectivas de detección de esta señal, incluido un mejor trabajo de modelización de la población de estrellas de neutrones y estimación de la sensibilidad con instrumentos existentes y futuros».
Entonces, ¿cómo podemos detectar e identificar la materia oscura?
Pero los telescopios espaciales más modernos no son radiotelescopios. El Telescopio espacial Webblanzado en 2021, observa algunas de las luces más antiguas que podemos ver en longitudes de onda infrarrojas e infrarrojas cercanas. Telescopio espacial Euclid de la ESAlanzado el año pasado con el objetivo específico de mejorar nuestra comprensión de la materia oscura del universo, también ve el cosmos en el infrarrojo. De hecho, una de las opciones más atractivas para un observatorio radioeléctrico es la Radiotelescopio del cráter lunar (LCRT)que es exactamente lo que parece: un enorme radiotelescopio que haría un plato a partir de un cráter lunar en la cara oscura de la Luna.
«Los axiones son una de nuestras mejores apuestas para la nueva física», dijo Safdi, aunque son «notoriamente difíciles de investigar dadas sus débiles interacciones con la materia ordinaria».
«Estas débiles interacciones pueden magnificarse en entornos astrofísicos extremos, como los que se encuentran en las magnetosferas de estrellas de neutrones», añadió. «Un trabajo como éste podría, por tanto, abrir fácilmente el camino hacia el descubrimiento».
Hay muchos radiotelescopios haciendo trabajo fantástico en la Tierra (MeerKAT, el Very Large Telescope y ALMA, por nombrar algunos), pero parece que podemos necesitar una nueva misión espacial si queremos tener la oportunidad de ver ondas axiónicas. ¡Sin presiones, arcas de la NASA!
