Los púlsares pueden hacer brillar la materia oscura        

Por: Universidad de Ámsterdam.

06 de octubre de 2023.    

La Nebulosa del Cangrejo: un remanente de una explosión de supernova que en su centro contiene un púlsar. Crédito de la imagen: NASA/CXC/ASU/J. Hester y otros.

La materia oscura puede ser el componente más buscado de nuestro Universo. Sorprendentemente, se supone que esta forma misteriosa de materia, que ni físicos ni astrónomos han podido detectar hasta ahora, constituye una parte enorme de lo que existe. Se sospecha que no menos del 85% de la materia del Universo es "oscura", y actualmente sólo se nota a través de la atracción gravitacional que ejerce sobre otros objetos astronómicos. Es comprensible que los científicos quieran más. Quieren ver realmente la materia oscura o, al menos, detectar su presencia directamente, no sólo inferirla a partir de efectos gravitacionales. Y, por supuesto: quieren saber qué es.

La pregunta central en la búsqueda actual de materia oscura es: ¿de qué está hecha? Una posible respuesta es que la materia oscura está formada por partículas conocidas como axiones. Un equipo de astrofísicos dirigido por investigadores de las universidades de Amsterdam y Princeton ha demostrado que si la materia oscura está compuesta de axiones, puede manifestarse en forma de un sutil resplandor adicional procedente de estrellas pulsantes. Su trabajo está publicado en la revista Physical Review Letters.

Los científicos están buscando algo nuevo: un tipo de partícula que nadie ha detectado todavía y que probablemente sólo interactúa muy débilmente con los tipos de partículas que conocemos, lo que explica por qué este componente de nuestro mundo hasta ahora ha sido esquivo. Hay muchas pistas sobre dónde buscar, una suposición popular es que la materia oscura podría estar formada por axiones. Este hipotético tipo de partícula se introdujo por primera vez en la década de 1970 para resolver un problema que no tenía nada que ver con la materia oscura. La separación de cargas positivas y negativas dentro del neutrón, uno de los componentes básicos de los átomos ordinarios, resultó ser inesperadamente pequeña. Por supuesto, los científicos querían saber por qué.

Resultó que la presencia de un tipo de partícula hasta ahora no detectada, que interactúa muy débilmente con los componentes del neutrón, podría causar exactamente ese efecto. Al posterior ganador del Premio Nobel, Frank Wilczek, se le ocurrió un nombre para la nueva partícula: axión, no sólo similar a otros nombres de partículas como protón, neutrón, electrón y fotón, sino también inspirado en un detergente para ropa del mismo nombre. El axión estaba ahí para “limpiar” un problema, pero una pregunta adicional que rondaba toda la investigación sobre la materia oscura era igualmente válida para los axiones: si existen, ¿cómo podemos verlos? ¿Cómo se puede hacer visible algo "oscuro"?

Afortunadamente, parece que para los axiones puede haber una salida a este enigma. Si las teorías que predicen los axiones son correctas, no sólo se espera que se produzcan en masa en el Universo, sino que algunos axiones también podrían convertirse en luz en presencia de fuertes campos electromagnéticos. Una vez que hay luz, podemos ver. ¿Podría ser esta la clave para detectar axiones y, por tanto, detectar materia oscura? Para responder a esa pregunta, los científicos primero tuvieron que preguntarse en qué parte del universo se producen los campos eléctricos y magnéticos más fuertes conocidos. La respuesta es: en regiones que rodean estrellas de neutrones en rotación, también conocidas como púlsares.

Estos púlsares son objetos densos, con una masa aproximadamente igual a la de nuestro sol, pero un radio aproximadamente 100.000 veces más pequeño, de sólo unos 10 km. Al ser tan pequeños, los púlsares giran con frecuencias enormes, emitiendo haces estrechos y brillantes de emisión de radio a lo largo de su eje de rotación. De manera similar a un faro, los rayos del púlsar pueden recorrer la Tierra, haciendo que la estrella pulsante sea fácilmente observable.

Sin embargo, el enorme giro del púlsar hace más. Convierte la estrella de neutrones en un electroimán extremadamente potente. Esto, a su vez, podría significar que los púlsares son fábricas de axiones muy eficientes. Cada segundo, un púlsar promedio sería capaz de producir un número de axiones de 50 dígitos. Debido al fuerte campo electromagnético que rodea al púlsar, una fracción de estos axiones podría convertirse en luz observable. Es decir: si es que los axiones existen, pero el mecanismo ahora puede utilizarse para responder precisamente a esa pregunta. Basta con mirar los púlsares, ver si emiten luz adicional y, si lo hacen, determinar si esta luz adicional podría provenir de axiones.

Como siempre ocurre en la ciencia, realizar una observación de este tipo no es, por supuesto, tan sencillo. La luz emitida por los axiones, detectable en forma de ondas de radio, sería sólo una pequeña fracción de la luz total que estos brillantes faros cósmicos envían hacia nosotros. Es necesario saber con mucha precisión cómo sería un púlsar sin axiones y cómo sería un púlsar con axiones para poder ver la diferencia, y mucho menos cuantificar esa diferencia y convertirla en una medida de una cantidad de oscuridad.

Esto es exactamente lo que ha hecho un equipo de físicos y astrónomos. En un esfuerzo de colaboración entre los Países Bajos, Portugal y los EE. UU., el equipo ha construido un marco teórico integral que permite una comprensión detallada de cómo se producen los axiones, cómo los axiones escapan de la atracción gravitacional de la estrella de neutrones y cómo, durante su escape, se convierten en radiación de radio de baja energía.

Luego, los resultados teóricos se transfirieron a una computadora para modelar la producción de axiones alrededor de los púlsares, utilizando simulaciones numéricas de plasma de última generación que se desarrollaron originalmente para comprender la física detrás de cómo los púlsares emiten ondas de radio. Una vez producidos virtualmente, se simuló la propagación de los axiones a través de los campos electromagnéticos de la estrella de neutrones. Esto permitió a los investigadores comprender cuantitativamente la producción posterior de ondas de radio y modelar cómo este proceso proporcionaría una señal de radio adicional además de la emisión intrínseca generada por el propio púlsar.

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