Un nuevo telescopio podría detectar materia oscura en descomposición en el Universo primitivo
Por: Brian Koberlein, Universe Today.
06 de septiembre de 2023.
Representación gráfica de cómo podrían descomponerse los WIMP. Crédito: Gao Linqing y Lin Sujie.
El hidrógeno es con diferencia, el elemento más abundante del universo. Más del 90% de los átomos del Universo son hidrógeno. Diez veces el número de átomos de helio y cien veces más que todos los demás elementos combinados. Está en todas partes, desde el agua de nuestros océanos hasta las primeras regiones del Cosmos. Afortunadamente para los astrónomos, todo este hidrógeno neutro puede emitir una tenue línea de emisión de luz de radio, conocida como línea de hidrógeno HI o línea de 21 centímetros.
El hidrógeno consta de un solo electrón unido a un solo protón. Cuando los espines de estos dos están alineados de la misma manera, el hidrógeno tiene una energía ligeramente mayor que cuando los espines están en direcciones opuestas. Entonces, el electrón puede sufrir un cambio de espín y liberar un poco de energía en forma de fotón de luz. No es necesario sobrecalentar o ionizar el hidrógeno para hacer esto. Puede suceder de forma espontánea. Entonces, dondequiera que haya nubes de hidrógeno, puedes estar seguro de que está emitiendo luz de radio de 21 centímetros.
Dado que la línea de emisión tiene una longitud de onda muy específica, se puede usar para medir el movimiento relativo o corrimiento al rojo cosmológico del hidrógeno. Uno de los primeros usos de este truco fue medir el movimiento del hidrógeno en la Vía Láctea y otras galaxias cercanas, lo que permitió a Vera Rubin descubrir la materia oscura. Ahora, un nuevo estudio muestra cómo la línea de 21 centímetros podría brindarnos la primera evidencia de partículas de materia oscura.
El estudio, que aparece en el servidor de preimpresión arXiv, se centra en Hydrogen Epoch of Reionization Array (HERA, por sus siglas en inglés), que es un radiotelescopio ubicado en Sudáfrica y particularmente adecuado para observar el hidrógeno en el Universo temprano. Cuando esté en línea, HERA mapeará la estructura a gran escala del hidrógeno durante la edad oscura y el período del amanecer cósmico, que es el tiempo entre el desvanecimiento de la bola de fuego primitiva del Big Bang y la aparición de las primeras estrellas y galaxias. Durante este período el cosmos estuvo lleno de materia oscura y cálidas nubes de gas hidrógeno.
Si la materia oscura es verdaderamente neutra y sólo interactúa con la materia y la luz de forma gravitacional, entonces la luz de 21 centímetros es básicamente la única luz emitida durante este período. Pero el modelo más popular de materia oscura involucra partículas conocidas como WIMP (Weakly Interacting Massive Particles). Estas partículas neutras de materia oscura, de acuerdo a los modelos teóricos que postulan su posible existencia, deberían ser mucho más pesadas que las partículas de materia normal, como los protones y los electrones. En algunas partículas de materia oscura, estos WIMP ocasionalmente se descomponen en materia normal, creando una explosión de positrones y electrones energéticos, o protones y antiprotones. Si ese fuera el caso, entonces estas partículas de desintegración energética interactuarían con la luz de 21 centímetros.
Basándonos en observaciones del fondo cósmico de microondas y otros estudios, se ha indicado que los WIMP tendrían una vida media de desintegración muy larga. Hasta ahora no ha encontrado evidencia de desintegración de la materia oscura, lo que significa que los WIMP no existen o su vida media es mucho más de un billón de años. Este nuevo estudio muestra que incluso si los WIMP tuvieran una vida media mil veces más larga, HERA sería capaz de detectar su efecto en la línea temprana de 21 centímetros. Y tendría datos suficientes para hacerlo dentro de 1.000 horas de observación. Incluso si HERA no detecta ninguna evidencia de desintegración de la materia oscura, sería un gran paso adelante. Sus limitaciones sobre la vida media de la materia oscura serían lo suficientemente fuertes como para descartar algunos modelos WIMP y reducir la gama de modelos.
Fuente:
https://phys.org/news/2023-09-telescope-decaying-dark-early-universe.html