Un equipo de físicos de las universidades de Ámsterdam, Princeton y Oxford ha demostrado que las partículas extremadamente ligeras conocidas como axiones pueden estar presentes en grandes nubes alrededor de las estrellas de neutrones. Estos axiones podrían formar una explicación para la esquiva materia oscura que buscan los cosmólogos y, además, podrían no ser demasiado difíciles de observar.
La investigación fue publicada en la revista Physical Review X y es una continuación de un trabajo anterior, en el que los autores también estudiaron axiones y estrellas de neutrones, pero desde un punto de vista completamente diferente.
Mientras que en su trabajo anterior investigaron los axiones que escapan de la estrella de neutrones, ahora los investigadores se centran en los que quedan atrás, los axiones que son capturados por la gravedad de la estrella. A medida que pasa el tiempo, estas partículas deberían formar gradualmente una nube difusa alrededor de la estrella de neutrones y resulta que tales nubes de axiones pueden ser observables con nuestros telescopios. Pero, ¿por qué los astrónomos y los físicos estarían tan interesados en las nubes difusas alrededor de estrellas lejanas?
Axiones: del jabón a la materia oscura
Protones, neutrones, electrones, fotones… la mayoría de nosotros conocemos los nombres de al menos algunas de estas diminutas partículas. El axión es menos conocido, y por una buena razón: por el momento es solo un tipo hipotético de partícula, que nadie ha detectado todavía.
Su existencia, que debe su nombre a una marca de jabón, se postuló por primera vez en la década de 1970 para solucionar un problema (de ahí la referencia al jabón) en nuestra comprensión de una de las partículas que podíamos observar muy bien: el neutrón. Sin embargo, aunque en teoría son muy agradables, si estos axiones existieran serían extremadamente ligeros, lo que los haría muy difíciles de detectar en experimentos u observaciones.
Hoy en día, los axiones también son conocidos como un candidato principal para explicar la materia oscura, uno de los mayores misterios de la física contemporánea. Existen numerosas pruebas que sugieren que aproximadamente el 85% de la materia que hay en nuestro universo es «oscura», lo que significa simplemente que no está compuesta por ningún tipo de materia que conozcamos y que podamos observar actualmente.
En cambio, la existencia de materia oscura solo se infiere indirectamente a través de la influencia gravitatoria que ejerce sobre la materia visible. Afortunadamente, esto no significa automáticamente que la materia oscura no tenga otras interacciones con la materia visible, pero si existen, su fuerza es necesariamente minúscula. Como sugiere el nombre, cualquier candidato viable a materia oscura es increíblemente difícil de observar directamente.
Al sumar los dos extremos, los físicos se han dado cuenta de que el axión puede ser exactamente lo que están buscando para resolver el problema de la materia oscura. Una partícula que aún no se ha observado, que sería extremadamente ligera y tendría interacciones muy débiles con otras partículas… ¿podrían los axiones ser al menos parte de la explicación de la materia oscura?
Los que se quedan
En su trabajo anterior, los autores se centraron en los axiones que, tras su producción, escapaban de la estrella: calcularon las cantidades en que se producirían, las trayectorias que seguirían y cómo su conversión en luz podría dar lugar a una señal débil pero potencialmente observable.
Esta vez, se centraron en los axiones que no consiguen escapar, es decir, los que, a pesar de su pequeña masa, quedan atrapados por la inmensa gravedad de la estrella de neutrones.
Debido a las interacciones muy débiles de los axiones, estas partículas permanecerán en el espacio y, en escalas de tiempo de hasta millones de años, se acumularán alrededor de la estrella de neutrones. Esto puede dar lugar a la formación de nubes muy densas de axiones alrededor de las estrellas de neutrones, lo que ofrece nuevas e increíbles oportunidades para la investigación sobre los axiones.
En su artículo, los investigadores estudian la formación, así como las propiedades y la evolución posterior de estas nubes de axiones, señalando que deberían existir y, en muchos casos, deben existir.
De hecho, los autores sostienen que, si existen los axiones, las nubes de axiones deberían ser genéricas (para una amplia gama de propiedades de los axiones, deberían formarse alrededor de la mayoría de las estrellas de neutrones, quizás incluso de todas), deberían ser en general muy densas (formando una densidad posiblemente veinte órdenes de magnitud mayor que las densidades locales de materia oscura) y, debido a esto, deberían dar lugar a potentes firmas observacionales.
Estas últimas pueden ser de muchos tipos, de los cuales los autores analizan dos: una señal continua emitida durante gran parte de la vida de una estrella de neutrones, pero también un estallido de luz único al final de la vida de una estrella de neutrones, cuando deja de producir su radiación electromagnética. Ambas firmas podrían observarse y utilizarse para investigar la interacción entre axiones y fotones más allá de los límites actuales, incluso utilizando los radiotelescopios existentes.
¿Qué sigue?
Si bien hasta ahora no se han observado nubes de axiones, con los nuevos resultados sabemos con mucha precisión qué buscar, lo que hace que una búsqueda exhaustiva de axiones sea mucho más factible. Si bien el punto principal de la lista de tareas pendientes es, por lo tanto, «la búsqueda de nubes de axiones», el trabajo también abre varias nuevas vías teóricas para explorar.
Por un lado, uno de los autores ya está involucrado en un trabajo de seguimiento que estudia cómo las nubes de axiones pueden cambiar la dinámica de las propias estrellas de neutrones. Otra importante dirección de investigación futura es el modelado numérico de las nubes de axiones: el presente artículo muestra un gran potencial de descubrimiento, pero se necesita más modelado numérico para saber con mayor precisión qué buscar y dónde.
Finalmente, los resultados actuales son todos para estrellas de neutrones individuales, pero muchas de estas estrellas aparecen como componentes de sistemas binarios, a veces junto con otra estrella de neutrones, a veces junto con un agujero negro. Comprender la física de las nubes de axiones en tales sistemas, y potencialmente comprender sus señales de observación, sería muy valioso.
Por lo tanto, el presente trabajo es un paso importante en una nueva y apasionante dirección de investigación. Para comprender completamente las nubes de axiones se necesitarán esfuerzos complementarios de múltiples ramas de la ciencia, incluidas la (astro)física de partículas, la física del plasma y la radioastronomía observacional.
Este trabajo abre este nuevo campo interdisciplinario con muchas oportunidades para futuras investigaciones.
Con información de Physical Review
Compártelo:
Descubre más desde SKYCR.ORG: NASA, exploración espacial y noticias astronómicas
Suscríbete y recibe las últimas entradas en tu correo electrónico.
