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27 de Marzo de 2020
Materia oscura

Dudas sobre dos supuestas señales astrofísicas de la materia oscura

Dos nuevos estudios cuestionan que el misterioso exceso de rayos gamma del centro de la Vía Láctea y una brillante línea de rayos X observada en otras galaxias y cúmulos de galaxias se deban realmente a la materia oscura.

La desintegración de la materia oscura debería producir un halo esférico brillante de emisión en rayos X cerca del centro de la Vía Láctea, que podría detectarse al observar regiones de la galaxia sin otro tipo de emisiones. [Christopher Dessert, Nicholas Rodd, Benjamin Safdi y Zosia Rostomian, a partir de datos del Telescopio de Gran Área del observatorio Fermi]

Sabemos que está ahí, pero no sabemos qué es: esa sustancia invisible es la materia oscura. Los científicos están bastante seguros de que constituye la mayor parte de la masa del cosmos, pero no está claro cuáles son sus ingredientes. Durante un tiempo, los investigadores se emocionaron con dos posibles señales astrofísicas de la materia oscura: un inexplicable exceso de rayos gamma en el centro de la Vía Láctea y un misterioso pico de rayos X detectado en otras galaxias y cúmulos de galaxias. Se ha interpretado que estas dos señales podrían producirse, respectivamente, cuando la materia oscura se aniquila a sí misma y cuando se descompone en distintas partículas, pero dos nuevos trabajos parecen echar por tierra ambas expectativas. Algunos científicos creen que es hora de buscar maneras alternativas de detectar la materia oscura. Pero otros siguen defendiendo que estas señales podrían constituir la respuesta.

El pico de rayos X, una brillante línea de emisión a una energía de 3500 electronvoltios (3,5 keV), se observó por primera vez en 2014 y se ha identificado en numerosos cúmulos de galaxias, así como en nuestra galaxia vecina Andrómeda. El entusiasmo se debe a que hay un candidato prometedor a componer la materia oscura, la hipotética partícula conocida como neutrino estéril, que produciría justamente una línea de emisión de esas características al desintegrarse en materia ordinaria. Benjamin Safdi, de la Universidad de Michigan, y sus colaboradores decidieron buscar la línea en nuestra galaxia analizando una ingente cantidad de datos del telescopio de la Misión Multiespejo de Rayos X (XMM-Newton) de la Agencia Espacial Europea. El equipo tomó imágenes de diversos objetos (captadas con otros fines) y los eliminó para buscar la luz de 3,5 keV a su alrededor, en el espacio oscuro «vacío». Tras acumular el equivalente a un tiempo de exposición de alrededor de un año, los investigadores no vieron ni rastro del pico. Sus hallazgos se han publicado esta semana en Science. «Desafortunadamente, no vimos nada», confirma Safdi, «y eso descarta la interpretación de esa línea como materia oscura, por muchos órdenes de magnitud».

¿Caso cerrado? Nada de eso. A muchos astrónomos de rayos X no les convence el método empleado por estos investigadores e insisten en que es muy probable que el pico exista en nuestra galaxia. «Tengo mis reservas sobre el aspecto técnico del trabajo», comenta Nico Cappelluti, de la Universidad de Miami. «La técnica que utilizan no es habitual. Así que creo que las conclusiones a las que llegan son un poco precipitadas.» Alexey Boyarsky, físico de la Universidad de Leiden (Holanda), es aún más claro: «La mayoría de expertos que conozco piensan que el principal resultado del trabajo no es correcto», asegura. «No veo cómo pueden afirmar que la línea no está presente en esos datos.»

Boyarsky y sus colaboradores también buscaron la línea de rayos X en los datos de XMM-Newton, y en diciembre de 2018 publicaron un artículo en el repositorio arXiv afirmando que la habían detectado en la Vía Láctea con una gran significación estadística. La diferencia, indica Boyarsky, es que el equipo de Safdi analizó un intervalo de energía demasiado pequeño, los que les impidió separar el pico en cuestión de la radiación de fondo inherente a todos los datos del telescopio. Safdi replica que su técnica de análisis, pese a ser nueva en la astronomía de rayos X, ha demostrado su eficacia en la física de partículas, incluidas las búsquedas de materia oscura realizadas en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN, cerca de Ginebra. «Cada vez que alguien incorpora un nuevo método analítico a un campo, se discute mucho sobre sus virtudes. ¿Estará pasando algo por alto?» señala. «En nuestra opinión, [este método] constituye una forma más robusta de analizar los datos, que reduce las probabilidades de que nos engañemos y veamos algo que realmente no está allí.» Sobre los resultados de Boyarsky y su grupo, Safdi aventura que «lo que ven en su análisis quizás sea una fluctuación estadística o un error sistemático».

No obstante, muchos científicos defienden que la señal de rayos X sigue siendo una vía prometedora hacia la materia oscura. «Creo que para deducir algo importante a partir de la línea de 3,5 kV, necesitamos nueva tecnología», apunta Esra Bulbul, investigadora del Instituto Max Planck de Física Extraterrestre de Garching (Alemania) que, junto a sus colaboradores, detectó la línea por primera vez en 2014, en el cúmulo de galaxias de Perseo. La Misión de Imágenes y Espectroscopia de Rayos X (XRISM), liderada por la Agencia de Exploración Aeroespacial de Japón y cuyo lanzamiento está previsto para 2022, debería servir para determinar de manera concluyente si esa señal existe y coincide con las características previstas para la materia oscura. «Hasta ese momento, no me convenceré de que haya quedado descartada la conexión de la materia oscura con esa línea», asevera Bulbul.

Aniquilación de materia oscura

La otra posible señal vinculada con el lado oscuro, los inexplicables rayos gamma procedentes del centro de nuestra galaxia, no apuntan a la desintegración de la materia oscura, sino a su destrucción. En este supuesto, la misteriosa sustancia podría ser a la vez materia y antimateria. Así, cuando dos partículas de materia oscura se encontrasen, podrían aniquilarse, generando rayos gamma en el proceso. La señal de rayos gamma se observó por primera vez en 2009 en los datos del telescopio espacial de rayos gamma Fermi, y los científicos llevan desde entonces debatiendo sobre su procedencia. Aunque la luz encaja con los modelos de materia oscura, su origen también podría ser más mundano, posiblemente relacionado con púlsares (estrellas de neutrones en rotación) presentes en el corazón de la Vía Láctea.

Un nuevo estudio dirigido por Ryan E. Keeley, de la Universidad de California en Irvine, y Oscar Macias, del Instituto Kavli para la Física y las Matemáticas del Universo de la Universidad de Tokio, analizó en detalle el patrón de los rayos gamma, en términos tanto de su dispersión espacial como de su energía. Los investigadores encontraron que la emisión de las estrellas, el gas y el «bulbo» del centro de nuestra galaxia explica mejor el exceso de rayos gamma que los modelos sobre cómo actuarían los subproductos de la energía oscura. «Teniendo en cuenta eso, que obtenemos un mejor ajuste, la pregunta es: ¿cuánto margen queda para la materia oscura?» plantea Kevork Abazajian, investigador de la Universidad de California en Irvine y uno de los autores del artículo, que se encuentra disponible en el repositorio arXiv y está en fase de revisión para su publicación en Physical Review D. La respuesta, de acuerdo con sus hallazgos, es que no demasiado. «Nadie había puesto restricciones tan fuertes sobre la aniquilación de la materia oscura.»

Pero los científicos tampoco están listos para tirar la toalla en este caso. «El artículo aporta algunos indicios nuevos e interesantes que debemos tener en cuenta», valora Cappelluti. «Pero se trata de otra medición muy complicada. Sin duda no debemos abandonar esta idea, y deberíamos seguir investigándola.» Tracy Slatyer, físico del Instituto Tecnológico de Massachusetts, está de acuerdo. «Han hecho un análisis muy bueno, pero depende de la precisión de nuestros modelos sobre las señales y el fondo galáctico», incide. «Me preocupa que dichos modelos no sean lo bastante buenos como para extraer tales conclusiones.»

En los últimos años, otros estudios han concluido que el origen más probable del exceso de rayos gamma de la Vía Láctea son fuentes puntuales de luz (como los púlsares) en lugar de la emisión difusa que produciría la materia oscura. Sin embargo, Slatyer y su colega del MIT Rebecca Leane encontraron un efecto sistemático que podría estar introduciendo un sesgo hacia esa respuesta y concluyeron que los púlsares no son necesariamente más probables que la materia oscura. «Ese efecto puede provocar que los análisis muestren una fuerte preferencia precisamente por el tipo de fuentes puntuales brillantes que encontraron los estudios previos», ahonda Slatyer. «Eso no significa que no pueda haber fuentes puntuales implicadas, ni que el exceso se deba a la materia oscura. Pero debemos ser cautos con los análisis anteriores que afirman que se debe a fuentes puntuales.»

Crisis existencial

Al final, los científicos siguen desconcertados ante el comportamiento sumamente extraño del 85 por ciento de la masa del universo. En vista de los nuevos estudios que desmienten las supuestas señales de la materia oscura en nuestra galaxia, ¿albergan dudas sobre la existencia de esta componente? «No», sostiene Abazajian. «La materia oscura formada por partículas encaja tan bien con las observaciones, desde las escalas subgalácticas hasta el horizonte del cosmos, que, básicamente, no hay ninguna duda de que está ahí.»

Aunque la fe de los científicos en la existencia de la materia oscura permanezca inalterada, sus esperanzas de encontrarla podrían estar disminuyendo. No solo son esquivos los indicios astrofísicos: los experimentos de detección directa para identificar las partículas responsables tampoco han tenido éxito, y los investigadores que las buscan en el LHC también han vuelto con las manos vacías. «No las vemos en el laboratorio, no las vemos en el LHC y no las vemos en el cielo», se lamenta Abazajian. «Estamos atravesando una especie de crisis existencial en la física de partículas.»

Debido a esta incapacidad de los científicos para encontrar la materia oscura, su verdadera naturaleza resulta más incierta que nunca. Las partículas masivas que interaccionan débilmente (WIMP), que un día fueron las principales candidatas a constituir esta sustancia, están prácticamente descartadas por no haber aparecido en los experimentos de detección directa, y posiblemente por los nuevos límites que presenta el artículo de Abazajian. «Muchos de los modelos habituales sobre lo que la gente pensaba que era la materia oscura ya no están sobre la mesa», concluye Safdi. «Muchos investigadores estaban casi seguros de que existirían las WIMP. En cierto sentido, vivimos un momento desalentador. Pero, en otro sentido, es muy emocionante, porque eso significa que todos estamos aportando ideas, volviendo a los fundamentos, a pensar en qué podría ser la materia oscura.»

Clara Moskowitz

Referencias: «Strong constraints on thermal relic dark matter from Fermi-LAT observations of the Galactic Center», Kevork N. Abazajian et al., arXiv:2003.10416 [hep-ph], 23 de marzo de 2020. «The dark matter interpretation of the 3.5-keV line is inconsistent with blank-sky observations», Christopher Dessert, Nicholas L. Rodd y Benjamin R. Safdi en Science, vol. 367, págs. 1465-1467, 27 de marzo de 2020.

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