Los astrónomos podrían ver la materia oscura mirando al vacío

En nuestra búsqueda de señales cósmicas de materia oscura, podríamos compararnos con borrachos que buscan llaves perdidas debajo de las farolas, donde la luz brilla más. Aquí, las “farolas” son regiones del espacio repletas de galaxias y cúmulos de galaxias, que se cree que están incrustados en densas nubes o “halos” de materia oscura. ¿Qué pasaría si, en cambio, apuntáramos nuestra mirada a los vacíos cósmicos: vastas extensiones de espacio mayoritariamente vacío? En un nuevo estudio preimpreso, un trío de investigadores sostiene que si bien la señal general de la materia oscura procedente de estas partes del cosmos sería más débil, también estaría menos contaminada por fuentes astrofísicas y, por tanto, podría ser más fácil de detectar.

“Es una idea nueva”, dice Nico Hamaus, cosmólogo de la Universidad Ludwig Maximilian de Munich en Alemania, que no participó en el estudio. “Y no es sólo la idea. También está respaldado con algunos cálculos. [that] tener sentido.”

Se cree que la materia oscura constituye más del 80 por ciento del material del universo. Esta estimación se basa principalmente en la influencia gravitacional que esta misteriosa sustancia parece ejercer sobre el gas, el polvo, las estrellas y las galaxias que forman la materia normal. Por ejemplo, las velocidades de rotación de las galaxias son tales que, sin la gravedad de la materia oscura para mantenerlas unidas, hace tiempo que se habrían desintegrado.

La mejor conjetura colectiva de los físicos es que la materia oscura está formada por las llamadas partículas masivas que interactúan débilmente (WIMP). Pero la evidencia directa de los WIMP ha sido difícil de alcanzar, a pesar de décadas de buscarlos en aceleradores de partículas y detectores exquisitamente sensibles enterrados a gran profundidad para minimizar las señales espurias de los rayos cósmicos y otras fuentes. Aun así, los WIMP siguen siendo el candidato favorito para la materia oscura, afirma el coautor del estudio Nicolao Fornengo, de la Universidad de Torino, en Italia.

Según casi todos los modelos basados ​​en WIMP, si estas partículas son, como se esperaba, pesadas, digamos, entre unos pocos gigaelectrones voltios (GeV) y unos pocos teraelectrones voltios (TeV), donde un GeV equivale aproximadamente a masa de un protón—entonces eventualmente deberían desintegrarse o chocar entre sí y aniquilarse, lo que produciría rayos gamma en ambos casos. “Si la materia oscura produce [gamma rays]la señal debería estar ahí”, dice Fornengo.

Los observatorios de rayos gamma actuales, especialmente la misión Fermi de la NASA con su telescopio de gran área (LAT), detectan un “fondo” difuso de rayos gamma en todo el cielo. Este trasfondo es el exceso inexplicable que queda una vez que se restan las contribuciones de todas las fuentes astrofísicas conocidas, como los púlsares y los agujeros negros supermasivos que absorben materia. Y no está distribuido uniformemente en el cielo, lo cual es consistente con lo que los astrofísicos esperan de la emisión de materia oscura y las fuentes astrofísicas que son demasiado pequeñas para ser resueltas incluso con el mejor Fermi LAT. Cuando se trata de materia oscura, el brillo de rayos gamma de los WIMP en descomposición y aniquilación debería correlacionarse con la estructura cósmica a gran escala, brillando más en las regiones llenas de materia y más débil en los vacíos. Los primeros estudios indican que esta correlación existe, pero hasta ahora dichos estudios han evitado en su mayoría los vacíos y se han centrado en las regiones más brillantes llenas de galaxias y cúmulos.

Para ver si una señal de este tipo puede extraerse mejor de los vacíos que de las regiones demasiado densas, el equipo modeló cómo debería emanar de ambos tipos de estructuras cósmicas. Sus resultados sugieren que, aunque la emisión combinada de rayos gamma de la materia oscura y la materia normal dentro de un vacío sería mucho más débil que la de una región sobredensa, esta debilidad en realidad confiere una ventaja: la relativa falta de materia normal asegura menos fuentes astrofísicas que De lo contrario, oscurecería la emisión de rayos gamma de la materia oscura. “Es un equilibrio entre tener una señal más fuerte pero más contaminada para medir y una señal más débil pero más limpia”, dice Fornengo. Su estudio y el de sus colegas han sido presentados al Revista de cosmología y física de astropartículas.

El equipo también descubrió, como era de esperar, que la mayoría de los rayos gamma de la materia oscura en estos vacíos deberían surgir a través de la desintegración de las partículas en lugar de su aniquilación. Para que dos partículas se aniquilen, primero deben chocar, y las probabilidades de que los WIMP se encuentren en los vacíos cósmicos son bajas. Pero las partículas deberían desintegrarse independientemente de la densidad de su distribución. “La descomposición simplemente explora toda la masa dentro [a volume of] espacio”, dice Fornengo. “Y la masa de un vacío no es un número pequeño. Sigue siendo un gran objeto. Simplemente es menos denso”.

Debido a su superior relación señal-ruido y su tendencia a detectar rayos gamma de partículas en descomposición, afirma Hamaus, la técnica podría ofrecer conocimientos novedosos sobre las propiedades de la materia oscura que serían inaccesibles únicamente a través de estudios de rayos gamma de regiones sobredenses. Por ejemplo, cuanto mayor sea la vida media de una partícula de materia oscura, menos desintegración debería producirse en una región determinada del espacio y el tiempo. Si bien una señal tan débil normalmente sería indetectable, ese no debería ser el caso en los espacios vacíos. “Porque tu señal a fondo [noise] es mayor, se puede ir más allá en la exploración del espacio de parámetros”, afirma.

Anthony Pullen, astrofísico de la Universidad de Nueva York, que no está afiliado al estudio, se muestra cautelosamente optimista sobre las pruebas futuras de sus ideas centrales. Está previsto que a finales de esta década comiencen múltiples estudios a gran escala de la estructura cósmica en instalaciones de próxima generación, como el telescopio espacial Euclid de la Agencia Espacial Europea (ESA), el telescopio espacial Nancy Grace Roman de la NASA y el Observatorio terrestre Vera C. Rubin. “A medida que esas encuestas estén en línea, tendrás estos conjuntos de datos muy grandes. Cuantas más galaxias seamos capaces de detectar, mejor podremos trazar un mapa de dónde están los vacíos”, afirma Pullen. “Y eso ayudaría con este tipo de estudio. En los próximos años, se podrá ver algo como esto demostrado como prueba de concepto”.

Hoy en día, tal prueba de concepto tendría que depender de los datos de rayos gamma recopilados por Fermi LAT, que, según Fornengo y sus colegas, no están a la altura de la tarea. Calculan que hacer detecciones inequívocas requeriría una nueva generación de instrumentos de rayos gamma con el doble de volumen de detector y cinco veces la resolución angular (la capacidad de distinguir fuentes en el cielo) de Fermi LAT. “Sería una gran incorporación tener un ‘nuevo Fermi’”, afirma Fornengo, aunque reconoce que, por ahora, un detector así sólo existe en sus sueños. Sin embargo, eso no ha impedido que el equipo le ponga un apodo apropiadamente italiano: Fermisimo.