Avances en un enigma cósmico: descifran las posibles claves para comprender la materia oscura

Los axiones, un tipo de partículas subatómicas hipotéticas, se encuentran entre los candidatos mejor posicionados entre los físicos para explicar el fenómeno de la “materia faltante” en el Universo, es decir, la materia oscura. La pregunta central en la búsqueda actual es: ¿de qué está hecha? Una posible respuesta es que está formada por estas partículas.

Un equipo de astrofísicos dirigido por investigadores de las universidades de Amsterdam y Princeton ha demostrado que si la materia oscura está compuesta ellos, puede manifestarse en forma de un sutil resplandor adicional procedente de estrellas púlsares. Las conclusiones fueron publicadas en la revista Physical Review Letters.

La materia oscura puede ser el componente más buscado de nuestro universo. Sorprendentemente, se supone que esta forma misteriosa de materia, que ni físicos ni astrónomos han podido detectar hasta ahora, constituye una parte enorme de lo que existe.

Se sospecha que no menos del 85% de la materia del universo es “oscura”, y actualmente sólo se nota a través de la atracción gravitacional que ejerce sobre otros objetos astronómicos. Los científicos quieren ver realmente la materia oscura o, al menos, detectar su presencia directamente, no sólo inferirla a partir de efectos gravitacionales. Y, por supuesto: quieren saber qué es.

Algunas cuestiones ya se han aclarado: la materia oscura no puede ser el mismo tipo de materia de la que están hechos los humanos. Si ese fuera el caso, simplemente se comportaría como la ordinaria: formaría objetos como estrellas, se iluminaría y dejaría de ser oscura. Por lo tanto, los científicos están buscando algo nuevo: un tipo de partícula que nadie ha detectado todavía y que probablemente sólo interactúa muy débilmente con las partículas que conocemos, lo que explica por qué este componente de nuestro mundo hasta ahora ha sido esquivo.

Hay muchas pistas sobre dónde buscar. Una suposición popular es que la materia oscura podría estar formada por axiones. Este hipotético tipo de partícula se introdujo por primera vez en la década de 1970 para resolver un problema que no tenía nada que ver con la materia oscura. La separación de cargas positivas y negativas dentro del neutrón, uno de los componentes básicos de los átomos ordinarios, resultó ser inesperadamente pequeña.

Resultó que la presencia de un tipo de partícula hasta ahora no detectada, que interactúa muy débilmente con los componentes del neutrón, podría causar exactamente ese efecto. Al ganador del Premio Nobel, Frank Wilczek, se le ocurrió un nombre para la nueva partícula: axión.

Varias teorías para las partículas elementales, incluida la de cuerdas, una de las principales candidatas a unificar todas las fuerzas en la naturaleza, parecían predecir que podrían existir partículas similares a los axiones. Si estos realmente existieran, ¿podrían también constituir parte o incluso la totalidad de la materia oscura que falta? Quizás, pero una pregunta adicional que rondaba toda la investigación sobre la materia oscura era igualmente válida para los axiones: si es así, ¿cómo pueden verse? ¿Cómo se puede hacer visible algo oscuro?

Si las teorías que predicen los axiones son correctas, no sólo se espera que se produzcan en masa en el universo, sino que algunos axiones también podrían convertirse en luz en presencia de fuertes campos electromagnéticos. Una vez que hay luz, es posible ver. ¿Podría ser esta la clave para detectar axiones y, por tanto, detectar materia oscura? Para responder a esa pregunta, los científicos primero tuvieron que indagar sobre en qué parte del universo se producen los campos eléctricos y magnéticos más fuertes conocidos.

En ese sentido, lograron detectar que esto sucede en regiones que rodean estrellas de neutrones en rotación, también conocidas como púlsares. Abreviatura de estrellas pulsantes, se trata de objetos densos, con una masa aproximadamente igual a la de nuestro sol, pero con un radio aproximadamente 100.000 veces más pequeño, de sólo unos 10 km. Al ser tan minúsculos, los púlsares giran con frecuencias enormes, emitiendo haces estrechos y brillantes a lo largo de su eje de rotación. De manera similar a un faro, los rayos del púlsar pueden recorrer la Tierra, haciendo que la estrella pulsante sea fácilmente observable.

Además, el púlsar convierte la estrella de neutrones en un electroimán extremadamente potente. Esto, a su vez, podría significar que son fábricas de axiones muy eficientes. Cada segundo, un púlsar promedio sería capaz de producir un número de axiones de 50 dígitos. Debido al fuerte campo electromagnético que rodea al púlsar, una fracción de estos axiones podría convertirse en luz observable. Bastaría con mirar los púlsares, ver si emiten luz adicional y, si lo hacen, determinar si esta luz adicional podría provenir de axiones.

Realizar una observación de este tipo no es sencillo. La luz emitida por los axiones, detectable en forma de ondas de radio, sería sólo una pequeña fracción de la luz total que estos brillantes faros cósmicos emiten. Es necesario saber con mucha precisión cómo sería un púlsar sin axiones y cómo uno con ellos para poder ver la diferencia, y más tarde, cuantificar esa diferencia y convertirla en una medida de una cantidad de oscuridad.

Esto es exactamente lo que ha hecho un equipo de físicos y astrónomos. En un esfuerzo de colaboración entre los Países Bajos, Portugal y los EEUU, juntos han construido un marco teórico integral que permite una comprensión detallada de cómo se producen los axiones, cómo escapan de la atracción gravitacional de la estrella de neutrones y cómo, durante su escape, se convierten en radiación de radio de baja energía.

Luego, los resultados teóricos se transfirieron a una computadora para modelar la producción de axiones alrededor de los púlsares, utilizando simulaciones numéricas de última generación que se desarrollaron originalmente para comprender la física detrás de cómo los púlsares emiten ondas de radio. Una vez producidos virtualmente, se simuló la propagación de los axiones a través de los campos electromagnéticos de la estrella de neutrones. Esto permitió a los investigadores comprender cuantitativamente la producción posterior de ondas de radio y modelar cómo este proceso proporcionaría una señal adicional además de la emisión intrínseca generada por el propio púlsar.

A continuación, los resultados de la teoría y la simulación se sometieron a una primera prueba observacional. Utilizando detalles de 27 púlsares cercanos, los investigadores compararon las ondas de radio con los modelos, para ver si algún exceso medido podría proporcionar evidencia de la existencia de axiones. Desafortunadamente, la respuesta fue negativa, o quizás de manera más optimista, todavía no. Los axiones no saltan a la vista de inmediato, pero quizás eso no era de esperar. Si la materia oscura revelara sus secretos tan fácilmente, ya habría sido observada hace mucho tiempo.

Mientras tanto, la actual no observación de señales de radio de axiones es un resultado interesante en sí mismo. La primera comparación entre simulaciones y púlsares reales ha puesto los límites más estrictos hasta la fecha a la interacción que los axiones pueden tener con la luz.

El objetivo final es demostrar que los axiones existen o asegurarse de que es extremadamente improbable que sean un constituyente de la materia oscura. Los nuevos resultados son sólo un primer paso en esa dirección; son sólo el comienzo de lo que podría convertirse en un campo completamente nuevo y altamente interdisciplinario que tiene el potencial de avanzar dramáticamente en la búsqueda de axiones.