La materia constituye todo lo que los científicos pueden observar en el universo, desde las personas hasta los planetas. Cualquier sustancia que tenga masa y ocupa espacio se llama materia. Sin embargo, hay algo más en el universo que lo que podemos percibir. Los científicos continúan trabajando para descubrir las sustancias misteriosas conocidas como materia oscura y energía oscura que afectan y dan forma al cosmos. En la imagen se muestra la galaxia de Andrómeda, una galaxia en forma de espiral que tiene un diámetro de 220.000 años luz en comparación con su halo galáctico y una distancia de aproximadamente 150.000 años luz entre los extremos de sus brazos. La galaxia de Andrómeda, que se encuentra a una distancia de aproximadamente 2,5 millones de años luz de la Tierra, es uno de los objetos más fascinantes y estudiados por los astrónomos. Crédito de la imagen: NASA / Joseph Olmsted (STScI)
Según los cálculos de un nuevo estudio, estas estrellas solitarias finalmente aumentarían en tamaño y se convertirían en una estrella similar en tamaño o más grande que una estrella típica. Sin embargo, se vuelven inestables y terminan explotando.
Hasta ahora, no se ha encontrado evidencia observacional de un candidato potencial para la partícula de materia oscura, que se compone de una clase de partículas masivas que interactúan débilmente (o WIMP).
Durante décadas, los astrónomos no han podido identificar la materia oscura (constituye el 95% del universo), una sustancia “fantasmal” que tiene un gran impacto en la materia visible (o bariónica) del universo, como las estrellas y galaxias. Como resultado de su fuerte atracción gravitacional sobre las galaxias, las hace girar, les da un empujón adicional a lo largo de sus órbitas o incluso las destruye.
Un proceso conocido como lente gravitacional utiliza la luz de objetos distantes para producir imágenes distorsionadas o múltiples, similar a un espejo cósmico de carnaval.
Según una investigación reciente, también puede generar un mayor dramatismo al crear estrellas que explotan generando un gran brillo.
A pesar de todos los daños que causa en las galaxias, aún no se tiene conocimiento de si la materia oscura tiene la capacidad de interactuar consigo misma, a menos que sea a través de la gravedad. Si experimenta otras fuerzas, es probable que sean extremadamente débiles, ya que de lo contrario habrían sido controladas.
Otros tipos de partículas, que interactúan débilmente, pero son extremadamente ligeras, han llamado la atención recientemente. Estas partículas, conocidas como axiones, se propuso por primera vez a finales de la década de 1970 como una solución a un problema cuántico, pero también pueden satisfacer los requisitos de la materia oscura.
Los axiones son capaces de «pegarse» entre sí para formar objetos pequeños, mientras que los WIMP no pueden hacerlo. Debido a su ligereza, una gran cantidad de axiones tendrían que abarcar toda la materia oscura, por lo que tendrían que estar apiñados. Sin embargo, no les importa porque son un tipo de partícula subatómica llamada bosón.
En realidad, según los cálculos, los axiones podrían estar tan unidos que comiencen a comportarse de manera extraña (actuando como una onda colectiva). Esto se debe a las reglas de la mecánica cuántica, la teoría que regula el micromundo de los átomos y las partículas. El condensado de Bose-Einstein es un estado que, de manera inesperada, puede permitir que los axiones formen sus propias «estrellas».
Cuando la onda se mueve sola, se crea lo que los físicos denominan un «solitón», una masa de energía localizada que puede moverse sin distorsionarse ni dispersarse. Esto se ve con frecuencia en la Tierra en forma de vórtices y remolinos, o en los anillos de burbujas que disfrutan los delfines bajo el agua.
Según los cálculos de un nuevo estudio, estas estrellas solitarias finalmente aumentarían en tamaño y se convertirían en una estrella similar en tamaño o más grande que una estrella típica. Sin embargo, se vuelven inestables y terminan explotando.
La cantidad de energía emitida por una de estas explosiones (conocida como «bosenova») superaría la de una supernova (una estrella convencional en erupción). Esto seguramente dejaría una señal en nuestras observaciones del cielo porque la materia oscura supera con creces la materia visible en el universo. Aún necesitamos encontrar estas cicatrices, pero el reciente estudio nos brinda algo que buscar.
Una prueba de observación.
Según los investigadores del paper, el gas circundante, hecho de materia normal, absorbería y emitiría parte de la energía extra de la explosión. Esta luz debe encontrarse en una frecuencia de radio porque la mayor parte de este gas es hidrógeno.
El hecho de que las observaciones futuras con el radiotelescopio Square Kilometer Array puedan capturarlo es emocionante.
Por lo tanto, aunque los fuegos artificiales producidos por las explosiones de estrellas oscuras pueden estar ocultos a nuestra vista, es posible que podamos encontrar sus efectos en la materia visible. La ventaja de este descubrimiento es que podría ayudarnos a descubrir de qué está hecha realmente la materia oscura, probablemente axiones en este caso.
¿Qué sucedería si las observaciones no logran identificar la señal prevista? Dado que todavía existen otras partículas «similares a axiones», es posible que esto no descarte completamente esta teoría. Sin embargo, una falla en la detección puede indicar que las masas de estas partículas son muy diferentes o que no se acoplan con tanta fuerza como pensábamos.
De hecho, esto ha ocurrido en el pasado. En un principio, se creía que los axiones se unirían con tanta fuerza que podrían enfriar el gas dentro de las estrellas. Sin embargo, como los modelos de enfriamiento de estrellas demostraron que las estrellas funcionaban bien sin este mecanismo, la fuerza de acoplamiento de los axiones tenía que ser menor de lo que se esperaba inicialmente. Por supuesto, no hay garantía de que los axiones formen la materia oscura. Los WIMP siguen compitiendo en esta carrera, y hay otros.
Según algunos análisis, es posible que la materia oscura como WIMP también pueda generar «estrellas oscuras». En este caso, las estrellas permanecerían como están (compuestas de hidrógeno y helio) y la materia oscura solo las alimentaría.
Se espera que estas estrellas oscuras impulsadas por WIMP sean supermasivas y residan en el universo temprano por un breve período de tiempo. Sin embargo, el telescopio espacial James Webb tiene la capacidad de verlos. Tres de estos hallazgos se afirmaron en un estudio reciente, pero aún no se sabe si es cierto.
Sin embargo, hay muchos planes para detectar axiones y el entusiasmo por ellos va en aumento. Por ejemplo, se espera que los axiones se transformen en fotones cuando pasan a través de un campo magnético, por lo que las observaciones de fotones de cierta energía tienen como objetivo estrellas con campos magnéticos, como las estrellas de neutrones o incluso el sol.
Hay esfuerzos en el ámbito teórico para mejorar las predicciones sobre cómo se vería el universo con diversos tipos de materia oscura. Por ejemplo, la forma en que los axiones desvían la luz a través de lentes gravitacionales puede distinguirlos de los WIMP.
Esperamos que el misterio de la materia oscura pronto se resuelva con mejores observaciones y teorías.
REFERENCIAS
Miraculous WIMPs. Symmetry Magazine: https://www.symmetrymagazine.org/article/july-2015/miraculous-wimps?language_content_entity=und
Ask Ethan: Could axions be the solution to the dark matter puzzle?. Big Think: https://bigthink.com/starts-with-a-bang/axions-dark-matter/
The other dark matter candidate. Symmetry Magazine: https://www.symmetrymagazine.org/article/the-other-dark-matter-candidate?language_content_entity=und
Ultracold Atoms. PBS Online: https://www.pbs.org/wgbh/nova/article/ultracold-atoms/
Soliton merger rates and enhanced axion dark matter decay. Physical Review D: https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.109.043019
Dark Matter and the First Stars: A New Phase of Stellar Evolution. Physical Review Letters: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.100.051101
JWST Might Have Spotted the First Dark Matter Stars. Scientific American: https://www.scientificamerican.com/article/jwst-might-have-spotted-the-first-dark-matter-stars/
JCERN Axion Solar Telescope: https://home.cern/science/experiments/cast
