Los científicos buscan materia oscura en desintegración (MDD) porque ofrece características únicas, como líneas específicas de rayos X o rayos gamma, o señales de neutrinos que no se observan en la materia normal. Esto podría revelar la naturaleza, la masa y las interacciones de las partículas de materia oscura, información que podría esclarecer la estructura del universo. La MDD es un modelo teórico en el que las partículas de materia oscura no son perfectamente estables, sino que se desintegran lentamente a lo largo de vastas escalas de tiempo cósmicas en partículas de materia oscura más ligeras o sin masa, dejando tras de sí señales gravitacionales o electromagnéticas.
Un nuevo estudio investiga las líneas de emisión de rayos X.
Un estudio publicado en The Astrophysical Journal Letters demuestra que esta forma de materia oscura puede detectarse potencialmente en líneas de emisión de rayos X no identificadas en los espectros de los cúmulos de galaxias.
«El 85 % de la masa de los cúmulos de galaxias proviene de materia oscura, y podemos modelar adecuadamente su distribución radial», señala el Dr. Ming Sun, profesor de la Facultad de Ciencias de la Universidad de Alabama en Huntsville (UAH), perteneciente al Sistema Universitario de Alabama, y autor correspondiente del proyecto. Por lo tanto, los cúmulos de galaxias son objetivos ideales para esta búsqueda, ya que son ricos en materia oscura y conocemos bien su masa.
El estudiante postdoctoral del Dr. Sun, Prathamesh Tamhane, también participó en el trabajo, que da continuidad a un estudio de 2014 dirigido por la Dra. Esra Bulbul, exalumna de la UAH y actual científica principal de ciencia de cúmulos y cosmología en el Instituto Max Planck.
Comprensión de los espectros de rayos X y métodos de detección
Las líneas de emisión de rayos X son huellas únicas de elementos que aparecen como picos en un espectro de rayos X cuando los electrones descienden de las capas de mayor a menor energía en un átomo, liberando energía en forma de fotones de rayos X. Estas distintivas líneas espectrales revelan la presencia de elementos pesados como hierro, silicio y oxígeno expulsados de las galaxias, lo que permite a los astrónomos cartografiar la abundancia de elementos y medir las temperaturas y densidades de los gases, lo que contribuye a comprender la compleja física de estas estructuras masivas.
Una línea de emisión de rayos X no identificada, hallada a aproximadamente 3,5 kiloelectronvoltios (keV) en el espectro de cúmulos de galaxias, ha sido objeto de un intenso debate científico como una anomalía astronómica persistente. Tradicionalmente, los científicos han utilizado dispositivos de carga acoplada (CCD), chips semiconductores sensibles a la luz, para detectar las débiles trazas de partículas ionizantes, como iones pesados o neutrinos, en estos espectros. Esto les permite observar las trayectorias de las partículas para intentar resolver esta línea de emisión «no identificada».
Los investigadores del nuevo estudio se basaron en datos recopilados por la Misión de Imágenes y Espectroscopía de Rayos X (XRISM), un telescopio espacial colaborativo desarrollado por JAXA (Japón) y la NASA, con el apoyo de la Agencia Espacial Europea (ESA).
«Casi todos los estudios anteriores utilizaron datos de CCD, que carecen de la resolución energética necesaria para resolver la línea no identificada», explica Sun. Ahora, XRISM proporciona espectros de alta resolución energética que pueden resolver la línea. Dado que las señales de la línea son muy débiles, combinamos casi tres meses de datos de XRISM para dicha búsqueda. Se detectaron numerosas líneas de rayos X. Se originan en átomos conocidos, como hierro, silicio, azufre y níquel. Las líneas de emisión de rayos X que aparecen y que no se encuentran en la posición conocida de las líneas atómicas son, por lo tanto, candidatas a líneas de desintegración de la difracción de rayos X (DM), que es el objetivo de este trabajo.
Neutrinos estériles y futuras líneas de investigación
El principal candidato para la misteriosa línea de emisión es una partícula llamada neutrino «estéril». Los neutrinos son partículas subatómicas diminutas, casi sin masa, que viajan a una velocidad cercana a la de la luz y apenas interactúan con la materia normal, algo crucial para comprender el universo, a pesar de ser increíblemente difíciles de detectar.
«Un neutrino estéril es un tipo hipotético de neutrino que solo interactúa con otras partículas mediante la gravedad, a diferencia de los tres neutrinos ‘activos’ conocidos, que también interactúan mediante la fuerza débil», señala Sun. «La existencia del neutrino estéril está bien fundamentada teóricamente y puede explicar la masa muy pequeña, pero no nula, de los neutrinos regulares. Los neutrinos estériles pueden desintegrarse en dos fotones con la misma energía. Los modelos pueden predecir la tasa de desintegración de los neutrinos estériles, que luego se restringe a partir de los datos».
Al considerar el futuro de este tipo de investigación, las Partículas Masivas de Interacción Débil, o WIMPS (partículas hipotéticas masivas que solo interactúan mediante la gravedad y la fuerza nuclear débil), siguen considerándose uno de los lugares más probables donde podría estar oculta la materia oscura. Sin embargo, Sun señala rápidamente que investigar posibilidades alternativas sigue siendo crucial para resolver el misterio.
«Las WIMP siguen siendo el principal candidato para la materia oscura, pero se han realizado miles de millones de dólares en experimentos, obteniendo límites superiores cada vez más fuertes, por lo que es necesario considerar escenarios alternativos. Este estudio proporciona los límites más fuertes a partir de datos de alta resolución energética sobre el neutrino estéril en la banda de 5-30 keV, lo que limita los modelos para la materia oscura», concluye el investigador de la UAH. «Con más datos de XRISM en los próximos 5 a 10 años, aproximadamente, podremos detectar la línea o mejorar el límite sustancialmente»
Con información de The Astrophysical Journal Letters
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