10 de Junio de 2022
Astrofísica

Proponen buscar la materia oscura en los vacíos cósmicos

Las vastas extensiones de espacio casi vacío podrían ofrecer mejores oportunidades para detectar la sustancia invisible que parece constituir más del 80 por ciento de la materia del universo.

La galaxia enana irregular KK 246 vista por el telescopio espacial Hubble. Este solitario conjunto de estrellas es uno de los pocos objetos conocidos en el Vacío Local, una vasta región de espacio prácticamente vacío con al menos 150 millones de años luz de diámetro. [ESA/Hubble y NASA, E. Shaya, L. Rizzi, B. Tully et al.]

En nuestra búsqueda de señales cósmicas de materia oscura, podríamos compararnos con aquel borracho que buscaba las llaves que había perdido bajo una farola simplemente porque allí se veía mejor. En este caso, las «farolas» son las regiones del espacio repletas de galaxias y cúmulos de galaxias, que se cree que están embebidos en densas nubes o «halos» de materia oscura.

Pero ¿qué pasaría si, en cambio, dirigiéramos nuestra mirada a los vacíos cósmicos, grandes extensiones de espacio casi vacío? En un reciente artículo publicado en el repositorio arXiv, un trío de investigadores sostiene que, aunque la señal de la materia oscura procedente de esas 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 innovadora», afirma Nico Hamaus, cosmólogo de la Universidad de Múnich, que no participó en el estudio. «Y no es sólo la idea. También está respaldada por algunos cálculos razonables.»

Se cree que la materia oscura constituye más del 80 por ciento de la materia del universo. Esta estimación se basa sobre todo en los efectos gravitatorios que esta misteriosa sustancia parece ejercer sobre el gas, el polvo, las estrellas y las galaxias que componen la materia ordinaria. Por ejemplo, de acuerdo con sus velocidades de rotación, las galaxias deberían haberse desintegrado hace tiempo si la gravedad de la materia oscura no las mantuviera unidas.

La mejor conjetura de los físicos es que la materia oscura está formada por «partículas masivas que interaccionan débilmente» (WIMP, por sus siglas en inglés). Pero aún no se han hallado pruebas directas de la existencia de dichas partículas, a pesar de que se han buscado durante décadas en aceleradores de partículas y en detectores ultrasensibles, enterrados a gran profundidad para minimizar las señales espurias de los rayos cósmicos y otras fuentes. Aun así, las WIMP siguen siendo las principales candidatas para componer la materia oscura, según Nicolao Fornengo, investigador de la Universidad de Turín y coautor del estudio.

Según casi todos los modelos basados en WIMP, si estas partículas son tan pesadas como esperan los científicos —entre unos pocos gigaelectronvoltios (GeV) y unos pocos teraelectronvoltios (TeV), donde un GeV corresponde aproximadamente a la masa de un protón—, deberían acabar por desintegrarse o por chocar entre sí y aniquilarse. Y ambas posibilidades producirían rayos gamma. «Si la materia oscura produce rayos gamma, la señal debería estar ahí», apunta Fornengo.

Los actuales observatorios de rayos gamma, en especial la misión Fermi de la NASA y su Telescopio de Gran Área (LAT), detectan un «fondo» difuso de rayos gamma en todo el cielo. Ese fondo es el exceso que queda una vez que se sustraen las contribuciones de todas las fuentes astrofísicas conocidas, como los púlsares y los agujeros negros supermasivos que devoran materia. Y no está distribuido uniformemente en el cielo, lo cual se ajusta a las expectativas de los astrofísicos para la emisión procedente de la materia oscura y de fuentes astrofísicas tan pequeñas que no pueden resolverse ni siquiera con el telescopio LAT, el mejor de su clase.

Por lo que respecta a la materia oscura, el brillo de los rayos gamma procedentes de la desintegración y la aniquilación de las WIMP debería estar relacionado con la estructura cósmica a gran escala: sería más intenso en las regiones repletas de materia y más débil en los vacíos cósmicos. Los estudios preliminares sugieren indican que esa correlación existe, pero dichos trabajos han tendido a evitar los vacíos y a centrarse en las regiones más brillantes, llenas de galaxias y cúmulos.

Para comprobar si es más fácil extraer la señal de los vacíos que la de las regiones más densas, el equipo modelizó la forma en que debería emanar de ambos tipos de estructuras cósmicas. Sus resultados sugieren que, aunque la señal total de rayos gamma procedente de la materia oscura y la materia ordinaria contenidas en un vacío sería mucho más débil que la que nos llega de una región más densa, esa debilidad en realidad supone una ventaja: la relativa falta de materia ordinaria asegura que habrá menos fuentes astrofísicas que enmascaren la emisión de rayos gamma de la materia oscura. «Se trata de un compromiso entre tener una señal más fuerte, pero más contaminada, o una señal más débil, pero más limpia», explica Fornengo. Él y sus colaboradores pretenden publicar su estudio en la revista Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.

El equipo también halló, como cabía esperar, que la mayoría de los rayos gamma procedentes de la materia oscura contenida en esos vacíos deberían provenir de la desintegración de las partículas, y no de su aniquilación. Para que dos partículas se aniquilen, primero deben chocar, y las probabilidades de que las WIMP se encuentren en los vacíos cósmicos son bajas. En cambio, las partículas deberían desintegrarse sin importar cuál sea su concentración. «La desintegración da información sobre toda la masa contenida en un volumen del espacio», señala Fornengo. «Y la masa de un vacío no es pequeña: sigue siendo un objeto grande, solo que menos denso.»

Hamaus afirma que la técnica, gracias a su mejor relación señal-ruido y a su tendencia a detectar los rayos gamma de las desintegraciones, podría ofrecer una nueva visión de las propiedades de la materia oscura que no estaría a nuestro alcance si nos limitásemos a estudiar los rayos gamma de las zonas más densas. Por ejemplo, cuanto mayor sea la vida media de una partícula de materia oscura, menos desintegraciones deberían producirse en una región del espacio y un tiempo determinados. Aunque, por lo general, una señal tan débil sería indetectable, eso no debería ocurrir en los vacíos. «Como la relación entre la señal y el ruido de fondo es mejor, es posible estudiar otras regiones del espacio de parámetros», asegura.

Anthony Pullen, astrofísico de la Universidad de Nueva York ajeno al estudio, muestra un optimismo cauto respecto a la posibilidad de poner a prueba esas ideas en un futuro próximo. Está previsto que a finales de esta década den comienzo varios estudios exhaustivos de la estructura cósmica con instrumentos de nueva generación, como el telescopio espacial Euclides de la Agencia Espacial Europea, el telescopio espacial Nancy Grace Roman de la NASA (anteriormente llamado WFIRST) o el Observatorio Vera C. Rubin, situado en la superficie. «A medida que estos estudios se pongan en marcha, dispondremos de grandes conjuntos de datos. Cuantas más galaxias logremos detectar, mejor podremos determinar dónde se hallan realmente los vacíos», afirma Pullen. «Y eso ayudaría con este tipo de estudios. En los próximos años, tal vez tenga lugar una prueba de concepto.»

En la actualidad, una prueba de concepto semejante tendría que basarse en los datos de rayos gamma recogidos por el telescopio LAT de la misión Fermi, que no son lo bastante buenos, según Fornengo y sus colaboradores. Para realizar detecciones inequívocas, calculan, se precisaría una nueva generación de instrumentos de rayos gamma con el doble de volumen de detección y cinco veces más resolución angular (la capacidad de distinguir las fuentes en el cielo) que LAT. «Un "nuevo Fermi" sería un gran fichaje», subraya Fornengo, aunque reconoce que, por ahora, un detector así solo existe en sus sueños. Sin embargo, eso no ha impedido que equipo lo bautice con un nombre, que (como no podía ser de otra manera) es italiano: Fermissimo.

Anil Ananthaswamy

Referencia: «Got plenty of nothing: cosmic voids as a probe of particle dark matter». Stefano Arcari, Elena Pinetti y Nicolao Fornengo en arXiv:2205.03360 [astro-ph.CO], 6 de mayo de 2022.

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