NASA: misión Fermi expande su búsqueda de materia oscura

Materia oscura, el más grande misterio del Universo. (Foto: NASA)

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La materia oscura, la misteriosa sustancia que constituye gran parte del Universo, se mantiene tan elusiva como al inicio de la investigación espacial. Aunque los experimentos en tierra y el espacio todavía tienen que encontrar un trazo de materia oscura, los resultados ayudan a los científicos a descartar algunas hipótesis, señala la NASA.

Tres estudios publicados al inicio del año, utilizando data de seis o más años del Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi de la NASA ha ampliado la misión de búsqueda de materia oscura usando nuevas aproximaciones.

“Hemos buscado los sospechosos comunes en los lugares usuales y no hemos encontrado señales sólidas, así que hemos comenzado a buscar en nuevas creativas formas”, indicó Julie McEnery científica del proyecto Fermi en el centro Goddard de la NASA. “Con estos resultados, Fermi ha excluido más candidatos, ha mostrado que la materia oscura puede contribuir a solo una pequeña parte del fondo de rayos Gamma más allá de nuestra galaxia, la Vía Láctea, y ha producido fuertes límites para partículas de materia oscura en la segunda más grande galaxia que está orbitándola”, agregó de acuerdo a la agencia espacial.

La materia oscura no emite y no absorbe luz, primariamente interactúa con el resto del Universo a través de gravedad, y sin embargo, conforma casi el 80% del Universo, indica la NASA. Los astrónomos ven sus efectos a través del Cosmos – en la rotación de las galaxias, en la distorsión de la luz que pasa por los cúmulos de galaxias, y en simulaciones del universo temprano, que requieren la presencia de materia oscura para formar galaxias.

Los candidatos líderes de materia oscura son diferentes clases de partículas hipotéticas. Los científicos piensan que los rayos Gamma, la más alta energía de la luz, puede ayudar a revelar la presencia de algunos tipos de propuestas de partículas de materia oscura. Previamente, Fermi ha buscado un indicado de señales de rayos Gamma asociadas con la materia oscura en el centro de nuestra Vía Láctea y el galaxias enanas que orbitan a la nuestra. Aunque no se han hallado signos convincentes, los resultados eliminaron candidatos dentro de un rango específico de masas y tasas de interacción, limitando aún más las posibles características de partículas de materia oscura, señala la NASA.

Entre los nuevos estudios, el escenario más exótico investigado era la posibilidad de que la materia oscura podría consistir en partículas hipotéticas llamadas axiones y otras partículas con propiedades similares. Un intrigante aspecto de las partículas como axiones es su habilidad para convertir los rayos Gamma y regresar de nuevo cuando interactúan con fuertes campos magnéticos. Estas conversaciones dejarían atrás rastros característicos, como pasos, en el espectro de una fuente de rayos Gamma brillante.

(Arriba)Rayos Gamma (líneas magenta) llegan de una fuente como NGC 1275. (Abajo) Rayos Gamma se convierten en partículas como axiones. (Gif: SLAC National Accelerator Laboratory/Chris Smith)

Manuel Meyer de la Universidad de Stockholm lideró un estudio para buscar los efectos de los rayos Gamma desde la NGC 1275, la galaxia central del cúmulo de Perseo, localizado a 240 millones de años luz. Se piensa que las emisiones de alta energía de NGC 1275 están asociadas a un agujero negro súper masivo en el centro.

Como los cúmulos de galaxias, el cúmulo de Perseo está lleno de gas caliente enroscado con campos magnéticos, lo que le permitiría cambiar entre rayos Gamma y partículas como axiones. Esto significa que algunos rayos Gamma que vienen den NGC 1275 podrían convertirse en axiones – y potencialmente regresar – mientras hacen su camino hacia nosotros.

“Si bien no sabemos todavía qué es la materia oscura, nuestros resultados muestran que podemos probar modelos como axiones y dar las restricciones a la fecha para ciertas masas”, indicó Meyer. “Extraordinariamente, alcanzamos una sensibilidad que pensamos que solo sería posible en un experimento en laboratorio, lo cual es un testamento para Fermi”, agregó.

Otra clase de candidatos a materia oscura son llamaos WIMPs. En algunas versiones, los WIMPs que colisionan o se aniquilan mutualmente o producen una partícula intermedia, agonizante. En ambos escenarios, los rayos Gamma pueden ser detectados por el Fermi.

Regina Caputo de la Universidad de California buscó estas señales en la Pequeña Nube de Magallanes, que se localiza a unos 200.000 años de distancia y es la segunda más grande las galaxias satélites que orbitan alrededor de la Vía Láctea. Parte del atractivo de la Pequeña Nube de Magallanes para buscar materia oscura es que se encuentra relativamente cerca y sus emisiones de rayos Gamma vienen de fuentes convencionales, como la formación de estrellas y pulsares, son bien entendidas. Más importante, los astrónomos tienen instrumentos de alta precisión de la curva de rotación de la galaxia satélite, lo que indica qué tanta materia oscura.

La Pequeña Nube de Magallanes en el centro. (Foto: Dark matter, R. Caputo et al. 2016; background, Axel Mellinger, Central Michigan University)

Caputo y sus colegas modelaron el contenido de materia oscura en la Pequeña Nube de Magallanes, mostrando que poseía suficiente para producir señales detectables de dos tipos de WIMP.

“El telescopio del Fermi definitivamente ve los rayos Gamma de la Pequeña Nube de Magallanes, pero podemos explicarlos a través de fuentes convencionales”, indicó. “No se hallaron señales de aniquilación de materia oscura”, agregó de acuerdo a la NASA.

En un tercer estudio, los investigadores liderados por Marco Ajello de la Universidad Clemson y Mattia si Mauro del SLAC National Accelerator Laboratory tomaron una dirección diferente en la investigación. En vez de buscar blancos astronómicos específicos, el equipo usó más de 6,5 años de data del telescopio Fermi de la NASA para analizar el brillo de fondo de los rayos Gamma que se ve en todo el cielo.

La naturaleza de esta luz, llamada Fondos de Rayos Gamma Extragalácticos (EGB por sus siglas en inglés), han sido objeto de debate desde su primera medición en los años 70 del siglo pasado. El Fermi ha mostrado que mucha de esa luz se eleva fuentes de rayos Gamma no definidos, particularmente galaxias llamadas blazares, que se alimentan de material que cae a agujeros negros gigantes. Los blazares constituyen más de la mitad de las fuentes de rayos Gamma vistas por el Fermi.

Animación de rayos Gamma. (Gif: NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration)

Algunos modelos predicen de los EGB pueden elevarse de interacciones distantes de partículas de materia oscura, como la aniquilación de WIMPs. En un análisis detallado de EGB, Ajello y su equipo mostraron que los blazares y otras fuentes discretas cuentan por casi todas las emisiones.

“Hay muy poco espacio para señales de fuentes exóticas en los EGB, lo que significa que cualquier contribución de estas fuentes debe ser pequeña”, indicó. “Esta información podría ayudarnos a limitar cómo las partículas WIMPS colisionan y decaen”, agregó de acuerdo a la NASA.

Aunque estos estudios llegan con las manos vacías, la búsqueda de la materia oscura continúa tanto en el espacio como en experimentos en tierra, precisa la NASA en su página web.