Fotones oscuros, ¿la verdadera naturaleza de la materia oscura?

La materia oscura es uno de los mayores enigmas de la astronomía y de la física: a pesar de constituir el 85 por ciento de la materia en el universo, nadie sabe qué es ni puede verla. Aunque deja sentir su fuerza gravitatoria (y eso es lo que permite saber que existe y cuán abundante es), no emite radiación electromagnética detectable.

Hay muchas hipótesis sobre la naturaleza de la materia oscura. Algunas consideran que está hecha de partículas exóticas. Entre estas últimas, figura la que la describe como un conjunto de fotones oscuros ultraligeros.

Esta hipótesis, según las conclusiones de un estudio reciente, realizado por el equipo internacional de Matteo Viel, de la Escuela Internacional Superior de Estudios Avanzados (SISSA) en Italia, está en excelente concordancia con las observaciones realizadas por el Espectrógrafo de Origen Cósmico (COS) a bordo del telescopio espacial Hubble.

El COS realiza mediciones de la "red cósmica", la compleja y tenue red de filamentos que llena el espacio entre las galaxias. Los datos recogidos por el COS sugieren que los filamentos cósmicos intergalácticos están más calientes de lo que predicen las simulaciones hidrodinámicas del modelo estándar de formación de estructuras. Dado que los fotones oscuros serían capaces de convertirse en fotones de baja frecuencia y calentar las estructuras cósmicas, bien podrían explicar esa diferencia de temperatura.

Los fotones oscuros son nuevas partículas hipotéticas portadoras de una nueva fuerza en el sector oscuro, al igual que el fotón lo es del electromagnetismo. Sin embargo, a diferencia del fotón, pueden tener masa. En particular, el fotón oscuro ultraligero (con una masa tan pequeña como veinte órdenes de magnitud inferior a la del electrón) es un buen candidato para la materia oscura. También se cree que los fotones oscuros y los fotones normales pueden combinarse como los distintos tipos de neutrinos, permitiendo que los fotones oscuros ultraligeros se conviertan en fotones de baja frecuencia. Estos fotones calentarían la red cósmica pero, a diferencia de otros mecanismos de calentamiento basados en procesos astrofísicos, como la formación de estrellas y los vientos galácticos, este proceso de calentamiento sería más difuso y resultaría eficaz también en regiones poco densas.

Proyección 2D de la red cósmica obtenida a partir de una simulación por superordenador. (Imagen: Ewald Puchwein / Sherwood-Relics collaboration)

Normalmente, los filamentos cósmicos se han utilizado para sondear propiedades a pequeña escala de la materia oscura, mientras que en este caso Viel y sus colegas han utilizado por primera vez los datos del medio intergaláctico con bajo desplazamiento Doppler al rojo como calorímetro, para comprobar si todos los procesos de calentamiento que conocemos son suficientes para reproducir los datos. Los autores del estudio descubrieron que no es así: falta algo. Ellos creen que ese algo es la contribución de los fotones oscuros.

El estudio se titula “Comparison of Low-Redshift Lyman-α Forest Observations to Hydrodynamical Simulations with Dark Photon Dark Matter”. Y se ha publicado en la revista académica Physical Review Letters. (Fuente: NCYT de Amazings)