Una supernova en una galaxia cercana podría revelar materia oscura, si tenemos suerte

Existe una prueba para encontrar una explicación importante de la naturaleza de la materia oscura, pero se basa en detectar una supernova en el momento de la explosión. Aunque ahora hacemos eso con bastante frecuencia, la supernova necesita estar más cerca que cualquier otra que hayamos visto en décadas, y debemos tener un telescopio de rayos gamma apuntando en la dirección correcta cuando sucede. Un equipo de científicos está utilizando este escenario para abogar por el lanzamiento de más satélites de rayos gamma, para que podamos tener el cielo cubierto cuando ocurra el evento.

Hace un siglo se observaron pruebas contundentes de la existencia de materia oscura, y desde entonces han seguido apareciendo. Sin embargo, los intentos de identificar más que una pequeña fracción han fracasado. La larga y fallida búsqueda para encontrar la mayor parte de la materia del universo está empezando a ser utilizada por los enemigos de la ciencia como evidencia de sus fracasos, y las explicaciones alternativas están ganando más cobertura, incluso cuando pocos científicos las encuentran plausibles.

Quizás, como ocurre en todas las mejores historias de misterio, los detectives necesiten un golpe de suerte.

Una explicación de lo que hemos visto y no hemos visto es que la materia oscura está compuesta de axiones, partículas teóricas cuya diminuta masa se compensa con su asombrosa abundancia. Los axiones QCD, favorecidos por los físicos de cuerdas, se diferencian de otras partículas de materia oscura propuestas en que interactúan con otras fuerzas fundamentales además de la gravedad, pero tienen una masa máxima 32 veces más pequeña que la de un electrón.

Desafortunadamente, los axiones QCD estarían al límite de nuestra capacidad para detectarlos con los instrumentos existentes, gracias a la excepcional debilidad de sus interacciones con las tres fuerzas no gravitacionales. Se han realizado esfuerzos durante 40 años utilizando una variedad de enfoques, pero, como tantas otras búsquedas de materia oscura, aún no han tenido éxito.

Esperamos que, si los axiones son reales, las supernovas de colapso del núcleo (todos los tipos excepto Ia) produzcan inmensas cantidades de ellos en sus primeros segundos. Esto no es muy útil si no podemos detectarlos, pero los modelos de comportamiento de los axiones proponen que sus interacciones con la fuerza electromagnética convertirían aquellos que pasan a través de fuertes campos magnéticos en rayos gamma.

Las estrellas de neutrones producidas por la mayoría de las supernovas de colapso del núcleo a menudo tienen campos magnéticos de la fuerza requerida, sostienen el Dr. Benjamin Safdi de la Universidad de California, Berkeley y sus colegas. Proponen que no sólo podemos detectar estos rayos gamma, sino que también podemos distinguirlos de los emitidos directamente por las supernovas.

Sólo hay dos moscas en este ungüento. La primera es que para detectar suficientes rayos gamma ex-axión para poder ser convincente, la supernova necesita estar cerca. Idealmente, sería dentro de la Vía Láctea, pero la mayoría de explosiones en una de las galaxias satélite que rodean la nuestra también serían adecuadas, calculan Safdi y sus coautores.

Eso significa que podríamos estar esperando un tiempo. No hemos visto una supernova dentro de la Vía Láctea desde hace más de 400 años, aunque es posible que algunas hayan ocurrido pero hayan estado ocultas por el polvo. La abundancia de estrellas enormes en la Gran Nube de Magallanes (LMC) crea muchas perspectivas de supernova, pero la última apareció hace 37 años, en forma de SN 1987a. Lo mejor es no contener la respiración.

«Si viéramos una supernova, como la supernova 1987A, con un telescopio moderno de rayos gamma, podríamos detectar o descartar este axión QCD, este axión tan interesante, en gran parte de su espacio de parámetros, esencialmente todo el parámetro espacio que no se puede sondear en el laboratorio, y gran parte del espacio de parámetros que se puede sondear en el laboratorio también», dijo Safdi en un comunicado.

No podemos hacer nada respecto a la sequía de supernovas, pero podemos abordar el otro impedimento potencial. Se cree que la oleada prevista de rayos gamma durará sólo unos 10 segundos. Eso no es suficiente para que un instrumento de detección de rayos gamma sea alertado por un telescopio que opera en otra parte del espectro y dirija su atención al lugar correcto.

En consecuencia, necesitamos tener un ojo de rayos gamma en la parte correcta del cielo para que el proyecto tenga éxito. Si los telescopios de rayos gamma fueran como los ópticos, con campos de visión muy pequeños, las perspectivas podrían ser sombrías. El Telescopio de Gran Área, uno de los dos instrumentos del Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi, es el único instrumento actualmente en funcionamiento que Safdi y sus coautores creen que está a la altura del trabajo. Observa aproximadamente una quinta parte del cielo a la vez.

«Sería una verdadera lástima que mañana estallara una supernova y perdiéramos la oportunidad de detectar el axión», añadió Safdi. «Es posible que no vuelva a ocurrir hasta dentro de 50 años».

“El mejor escenario para los axiones es que Fermi atrape una supernova. Lo que pasa es que la posibilidad de que eso ocurra es pequeña”, dijo Safdi. “Pero si Fermi lo viera, podríamos medir su masa. Podríamos medir su fuerza de interacción. Podríamos determinar todo lo que necesitamos saber sobre el axión y tendríamos una confianza increíble en la señal porque no existe ninguna materia ordinaria que pueda crear tal evento”.

La alternativa es ampliar nuestra capacidad en esta parte del espectro. Safdi y sus colegas están promoviendo una idea para una vigilancia de rayos gamma en todo el cielo. Incluso tienen un nombre para ello; Instrumento GALactic AXion para supernova (GALAXIS).

Por mucho que los científicos quieran encontrar materia oscura, no envidiamos a alguien que intenta persuadir a organismos de financiación para que paguen por una red de telescopios de rayos gamma para esperar un evento que tal vez no ocurra en siglos. Afortunadamente, así como Fermi ha sido una rica fuente de otros datos científicos, GALAXIS podría hacer mucho más mientras espera.

Sin embargo, toda la idea se basa no sólo en que los axiones sean reales, sino que también tengan las características específicas que les predice la teoría de cuerdas. «Parece casi imposible tener una teoría consistente de la gravedad combinada con la mecánica cuántica que no tenga partículas como el axión», dijo Safdi.

Sin embargo, con un grupo sustancial de físicos profundamente desconfiados de la teoría de cuerdas, no todos están de acuerdo. GALAXIS, más una supernova adecuada, podrían resolver ese debate, pero primero se debe llegar a un acuerdo para lanzar los instrumentos.

El estudio se publica en Physical Review Letters.