Un astrofísico sondea un "detector de materia oscura" cósmico

Un astrofísico de la Universidad de Colorado en Boulder está buscando en la luz proveniente de un distante y extremadamente poderoso objeto celestial, lo que puede ser la sustancia más escurridiza del universo: la materia oscura.

En dos estudios recientes, Jeremy Darling, profesor del Departamento de Astrofísica y Ciencias Planetarias, ha echado un vistazo profundo a PSR J1745-2900. Este cuerpo es un magnetar, un tipo de estrella colapsada que genera un campo magnético increíblemente fuerte.

"Es el mejor detector de materia oscura natural que conocemos", dijo Darling, también del Centro de Astrofísica y Astronomía Espacial (CASA) en CU Boulder.

Explicó que la materia oscura es una especie de pegamento cósmico, una partícula aún no identificada que constituye aproximadamente el 27% de la masa del universo y que ayuda a unir galaxias como nuestra propia Vía Láctea. Hasta la fecha, los científicos han liderado la búsqueda de esta materia invisible usando equipo de laboratorio.

Darling ha adoptado un enfoque diferente en su última investigación: basándose en datos telescópicos, está observando el magnetar PSR J1745-2900 para ver si puede detectar las débiles señales de un candidato a materia oscura, una partícula llamada axión, transformándose en luz. Hasta ahora, la búsqueda de los científicos no ha dado resultados. Pero sus resultados podrían ayudar a los físicos que trabajan en laboratorios de todo el mundo a reducir sus propias búsquedas del axión.

Los nuevos estudios son también un recordatorio de que los investigadores pueden seguir mirando hacia los cielos para resolver algunas de las preguntas más difíciles de la ciencia, dijo Darling. Publicó su primera ronda de resultados en la revista Astrophysical Journal Letters y Physical Review Letters.

Una imagen del centro de la Vía Láctea mostrando la ubicación del agujero negro supermasivo en su centro, llamado Sagitario A*, y el magnetar cercano PSR J1745-2900. (Foto: NASA/CXC/FIT/E)

"En la astrofísica, encontramos todos estos problemas interesantes como la materia oscura y la energía oscura, entonces damos un paso atrás y dejamos que los físicos los resuelvan", dijo. "Es una lástima".

Darling quiere cambiar eso, en este caso, con un poco de ayuda del PSR J1745-2900.

Este magnetar orbita el agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea, a una distancia de menos de un año luz. Y es una fuerza de la naturaleza: PSR J1745-2900 genera un campo magnético que es aproximadamente mil millones de veces más poderoso que el imán más potente de la Tierra.

"Los magnetares tienen todo el campo magnético que tiene una estrella, pero este ha sido aplastado en un área de unos 20 kilómetros de diámetro", dijo Darling.

Y es donde Darling ha ido a pescar la materia oscura.

Explicó que los científicos aún no han localizado un solo axión, una partícula teórica propuesta por primera vez en la década de 1970. Los físicos, sin embargo, predicen que estos trozos efímeros de materia pueden haber sido creados en cantidades monumentales durante los primeros años de vida del universo, y en cantidades suficientemente grandes como para explicar la masa extra del cosmos proveniente de la materia oscura. De acuerdo con la teoría, los axiones son miles de millones o incluso billones de veces más ligeros que los electrones y solo raramente interactuarían con su entorno.

Eso los hace casi imposibles de observar, con una gran excepción: si un axión pasa a través de un fuerte campo magnético, puede transformarse en luz que los investigadores podrían, teóricamente, detectar.

Los científicos, incluyendo un equipo del JILA en el campus de CU Boulder, han usado campos magnéticos generados en laboratorio para tratar de capturar esa transición en acción. Darling y otros científicos tuvieron una idea diferente: ¿Por qué no intentar la misma búsqueda pero a una escala mucho mayor?

"Los magnetares son los objetos más magnéticos que conocemos en el universo", dijo. "No hay manera de que podamos acercarnos a esa fuerza en el laboratorio".

Para hacer uso de ese campo magnético natural, Darling se basó en las observaciones del PSR J1745-2900 tomadas por el Karl G. Jansky Very Large Array, un observatorio de Nuevo México. Si la magnetar estaba, de hecho, transformando los axiones en luz, esa metamorfosis podría aparecer en la radiación que emerge de la estrella colapsada.

El esfuerzo es un poco como buscar una sola aguja en un pajar muy, muy grande. Darling dijo que aunque los teóricos han puesto límites a lo pesados que pueden ser los axiones, estas partículas podrían tener un amplio rango de masas posibles. Cada una de esas masas, a su vez, produciría luz con una longitud de onda específica, casi como una huella digital dejada por la materia oscura.

Darling aún no ha detectado ninguna de esas distintas longitudes de onda en la luz proveniente del magnetar. Pero ha sido capaz de usar las observaciones para investigar la posible existencia de axiones en el más amplio rango de masas hasta la fecha, lo cual no está mal para un primer intento. Añadió que tales estudios pueden complementar el trabajo que se realiza en los experimentos en la Tierra.

Konrad Lehnert estuvo de acuerdo. Forma parte de un experimento dirigido por la Universidad de Yale, llamado, y no es sorprendente, HAYSTAC, que busca axiones usando campos magnéticos creados en laboratorios de todo el país.

Lehnert explicó que los estudios astrofísicos como el de Darling podrían actuar como una especie de explorador en la búsqueda de axiones, identificando señales interesantes en la luz de los magnetares, que los investigadores de laboratorio podrían entonces indagar con mucha más precisión.

"Estos experimentos bien controlados serían capaces de clasificar cuáles de las señales astrofísicas podrían tener un origen en la materia oscura", dijo Lehnert, becario del JILA, un instituto de investigación conjunto entre CU Boulder y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST).

Darling planea continuar su propia búsqueda, lo que significa mirar más de cerca el magnetar en el centro de nuestra galaxia: "Necesitamos llenar esos vacíos e ir aún más hondo". (Fuente: NCYT Amazings)