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 los postes de luz, donde la luz brilla más. Aquí, las «farolas» son regiones del espacio repletas de galaxias y cúmulos de galaxias, que se cree que están incrustadas en densas nubes, o «halos», de materia oscura. ¿Qué pasa si, en cambio, enfocamos nuestra vista en los vacíos cósmicos, vastas extensiones de espacio en su mayoría vacío? en un nuevo estudio de preimpresiónun trío de investigadores argumenta que si bien la señal general de la materia oscura de estas partes del cosmos sería más débil, también estaría menos contaminada por fuentes astrofísicas y, por lo 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 formó parte del 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 gravitatoria que esta misteriosa sustancia parece ejercer sobre el gas, el polvo, las estrellas y las galaxias que componen 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 hecha de las llamadas partículas masivas de interacción débil (WIMP). Pero la evidencia directa de los WIMP ha sido esquiva, 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. Aún así, los WIMP siguen siendo el candidato favorito para la materia oscura, dice el coautor del estudio Nicolao Fornengo de la Universidad de Torino en Italia.

De acuerdo con casi todos los modelos basados ​​en WIMP, si estas partículas son, como se esperaba, pesadas, digamos, entre unos pocos gigaelectronvoltios (GeV) y unos pocos teraelectronvoltios (TeV), donde un GeV es aproximadamente el masa de un protón, entonces eventualmente deberían decaer 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 actuales de rayos gamma, especialmente la misión Fermi de la NASA con su telescopio de área grande (LAT), detectan un «fondo» difuso de rayos gamma en todo el cielo. Este fondo 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 se distribuye uniformemente por el cielo, lo que 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 de su clase. 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 existe esta correlación, pero hasta ahora dichos estudios han evitado en su mayoría los vacíos y se han centrado en cambio en las regiones más brillantes llenas de galaxias y cúmulos.

Para ver si tal señal se puede extraer mejor de los vacíos que de las regiones sobredensas, 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 una compensación entre tener una señal más fuerte pero más contaminada para medir versus una señal más débil pero más limpia”, dice Fornengo. Su estudio y el de sus colegas ha sido enviado a la 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 emerger a través de la descomposición de las partículas en lugar de su aniquilación. Para que dos partículas se aniquilen, primero deben colisionar, y las probabilidades de que los WIMP se encuentren en los vacíos cósmicos son bajas. Pero las partículas deberían decaer independientemente de la densidad de su distribución. “La decadencia solo sondea toda la masa dentro [a volume of] espacio”, dice Fornengo. “Y la masa de un vacío no es un número pequeño. Sigue siendo un objeto grande. Simplemente es menos denso”.

Debido a su relación señal-ruido superior y su sesgo hacia la detección de rayos gamma de partículas en descomposición, dice Hamaus, la técnica podría ofrecer nuevos conocimientos sobre las propiedades de la materia oscura que serían inaccesibles solo a través de estudios de rayos gamma de regiones superdensas. Por ejemplo, cuanto mayor sea el tiempo de vida promedio de una partícula de materia oscura, menor será la descomposición en una determinada región de espacio y tiempo. Si bien una señal tan débil normalmente sería indetectable, ese no debería ser el caso en los vacíos. “Debido a que su señal a fondo [noise] es mayor, se puede ir más allá en la exploración del espacio de parámetros”, dice.

Anthony Pullen, astrofísico de la Universidad de Nueva York, que no está afiliado al estudio, es cautelosamente optimista sobre las pruebas de sus ideas centrales en un futuro cercano. Múltiples estudios a gran escala de la estructura cósmica están programados para comenzar a finales de esta década 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 Vera C. Rubin con base en tierra. “A medida que esas encuestas estén en línea, tendrá estos conjuntos de datos muy grandes. Cuantas más galaxias podamos detectar, mejor podremos trazar un mapa de dónde están los vacíos”, dice Pullen. “Y eso ayudaría con este tipo de estudio. En los próximos años, podrías ver algo como esto demostrado como prueba de concepto”.

Hoy en día, una prueba de concepto de este tipo tendría que basarse en los datos de rayos gamma recopilados por Fermi LAT, que no está a la altura, según Fornengo y sus colegas. Calculan que hacer detecciones inequívocas requeriría una nueva generación de instrumentos de rayos gamma con el doble del volumen del detector y cinco veces la resolución angular (la capacidad de distinguir fuentes en el cielo) de Fermi LAT. “Sería una gran adición tener un ‘nuevo Fermi’”, dice Fornengo, aunque reconoce que, por ahora, tal detector solo existe en sus sueños. Sin embargo, eso no ha impedido que el equipo le dé un apodo italiano apropiado: Fermissimo.