Al límite de la teoría: estrellas de axiones y materia oscura         

Por: King's College de Londres.

26 de febrero de 2024

Esquema de masas críticas para tres tipos de inestabilidades de solitones con masas críticas de menor a mayor correspondientes a las distintas configuraciones de inestabilidad. Physical Review D (2024). DOI: 10.1103/PhysRevD.109.043019.

Una nueva investigación sugiere que las “estrellas de axiones” explosivas podrían determinar dónde y qué es la materia oscura, es un esfuerzo por comprender el misterio detrás de qué es la materia oscura, un grupo de expertos del King's College de Londres propone el uso de los axiones como solución al problema teórico. Los axiones, teorizados por primera vez en 1977 son una partícula hipotética de masa ligera que se ha sugerido como posible contendiente para la materia oscura, debido al calor que desprenden.

 Sin embargo, debido a la variedad de tamaños y masas que podrían tener, su identificación concluyente ha sido difícil. En una serie de artículos en Physical Review D, Liina Chung-Jukko, Malcolm Fairbairn, Eugene Lim, el Dr. David Marsh y sus colaboradores han sugerido un nuevo enfoque para localizar esta "partícula maravillosa" que podría explicar tanto la energía oscura como la materia oscura. El profesor Malcolm Fairbairn explica: "Los axiones son uno de los principales candidatos para la materia oscura. Descubrimos que tienen la capacidad de calentar el Universo al igual que las supernovas y las estrellas ordinarias después de unirse en densos grupos. Armados con ese conocimiento, sabemos con mucha precisión más certeza sobre dónde apuntar nuestros instrumentos en el campo para encontrarlos".

La teoría de la relatividad general de Einstein sugiere que alrededor del 85% del material del Universo es materia oscura, una forma desconocida de materia que no hemos podido observar ni sondear. Los efectos gravitacionales, observados en escenarios como la formación de galaxias, no tienen sentido dentro del modelo de Einstein a menos que haya una gran cantidad de materia que no podemos ver y que no interactúa con la luz o los campos electromagnéticos.

Los axiones son candidatos para esta hipotética forma de materia. Estas partículas de baja masa deben estar presentes en cantidades muy grandes para explicar la masa faltante en las galaxias. Como estos axiones deben existir en grandes cantidades, también deben estar densamente empaquetados en áreas específicas, lo que significa que quedan sujetos a las leyes de la mecánica cuántica. Esto significaría que los axiones individuales comenzarían a actuar en concierto. Eso significaría que podría haber grandes agrupaciones de materia oscura axiónica en el centro de las galaxias, también conocidas como "estrellas axiónicas".

Estas estrellas axiónicas pueden volverse inestables más allá de cierto umbral de masa, explotando en radiación electromagnética y fotones (partículas de luz), como lo muestra con más detalle en varios estudios previos los autores. Los científicos sugieren que estas explosiones podrían haber calentado el gas intergaláctico que existe entre las galaxias en el tiempo que separa el Big Bang y la formación de las primeras estrellas, entre 50 y 500 millones de años después del inicio del Universo.

Esto cambiaría la forma en que se vería durante este período la radiación cósmica de fondo (CMB), la radiación electromagnética que llena todo el espacio, que los científicos pueden observar actualmente a través de ondas de radio utilizando un método llamado medición de 21 cm. Al buscar señales de dónde explotaron las estrellas axiónicas en el Universo primitivo o actual de esta manera, los científicos pueden utilizar estos métodos para rastrear el axión hasta ahora no observado y descubrir la fuente de parte, si no de toda, la materia oscura.

Al calcular el número total de estrellas con axiones en el Universo y, por extensión, su potencial explosivo latente en el gas intergaláctico, el equipo también ha conjeturado el tamaño de la señal que las estrellas con axiones emitirían en el CMB. Esto permitiría que las mediciones de 21 cm categoricen con precisión qué se origina y qué no se origina a partir de axiones, lo que ayudaría en la búsqueda.

Fuente:

https://phys.org/news/2024-02-explosive-axion-stars-dark.html