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martes, 1 de marzo de 2022

Astronomía multi-mensajero - Judit Pérez Romero

Astronomía multi-mensajero y el papel de los rayos gamma para búsqueda de materia oscura.








Que a los seres humanos siempre nos ha fascinado levantar la cabeza hacia el cielo y tratar de entender qué es lo que ocurre por allá arriba, no le pillará de nuevas a nadie. Llevamos milenios observando las luces brillantes que hay sobre nosotros, pero ¿y si hay algo más que no podemos ver directamente con nuestros ojos? De hecho, sabemos que lo hay. Sabemos que la luz visible es solo una pequeña parte del espectro, y que nos llega luz del Universo de muchas energías distintas. Vale genial, pero ¿y si hubiera algo más que no se pudiera ver a través de ninguna luz? Pues por suerte, del Universo no solo nos llega luz, nos llegan otra clase de partículas de un origen a veces claro y otras no tanto. Incluso el Nobel de Física de 2017 fue para la detección de ondas gravitatorias predichas por Einstein. Vaya pues sí que estamos preparados… Entonces, ¿no hay nada en el Universo que desconozcamos? Y si os digo que, con todas las observaciones y el conocimiento actuales, solo conocemos el 5% de todo el Universo…

Da igual que multi-mensajero os suene al repartidor de Amazon, que solo hayáis oído hablar de rayos gamma en referencia a Hulk o que materia oscura os suene a pura ciencia ficción. En este capítulo vamos a tratar de entender uno de los misterios más fundamentales del Universo, ¿qué es toda esa materia que no podemos ver? O igual sí…

 

¿Astro-qué? ¿Pero eso no es lo del horóscopo?

Astronomía, no astrología. Aunque en ambas se hable de constelaciones y planetas, rara vez oiréis a ningún astrónomo deciros que esta semana os irá bien en el amor porque Venus se alinea con Urano.

Aclarada la confusión, si de verdad queremos entender el Universo en el que vivimos, empezar por lo que no sabemos es algo así cómo montar una casa sin saber lo que son los ladrillos. Así que, como cuando empieza una nueva temporada de una serie, vamos a repasar lo que sucedió en capítulos anteriores.

Encontrar el inicio del estudio de los astros es imposible, pero las primeras mediciones exactas de los periodos de la Luna o el Sol proceden de la cultura maya. Básicamente, usaron estas medidas para hacer calendarios y mapas estelares para orientarse.

Si avanzamos un poco, aparecen nombres como Hiparco, que creó el primer catálogo de estrellas, o Hipatia, que mejoró muchísimo el diseño de los astrolabios (instrumentos para determinar posiciones de las estrellas). Pero todos ellos tenían algo en común, y es que todo lo que podían observar era a través de sus ojos.

A Galileo esto no le convencía mucho, y varios siglos más tarde (1609) creó el primer sistema de lentes para observar el firmamento, el primer telescopio. Gracias a los estudios previos de Copérnico, Brahe y Kepler sobre nuestro sistema solar, Galileo encontró que todas sus observaciones solo eran compatibles con el modelo que ellos explicaban.


Fig.1 A la izquierda, representación modelo geocéntrico del Sistema Solar, con un intrincado sistema de órbitas para explicar el movimiento retrógrado de los planetas en la esfera celeste. A la derecha, representación del modelo heliocentrista.

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Cassini_apparent.jpg

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Copernican_heliocentrism_diagram.jpg 


El siguiente plot twist vino de la mano de Newton. Newton aunó en sus leyes que la fuerza que hacía que las cosas se cayeran al suelo, tenía que ser la misma que mantenía a los planetas rotando alrededor del Sol, la primera gran unificación dentro de la física. Además, cambió el sistema de lentes de los telescopios por un sistema de espejos, que permitía eliminar distorsiones ópticas. Aun así, aunque fuera a través de un instrumento, el último receptor de la luz seguía siendo el ojo humano.

Cerrando la temporada del siglo XIX, varios astrónomos detectaron “rayos invisibles” que calentaban (infrarrojos) o que provocaban reacciones químicas (ultravioletas). Estos rayos tan raros resultaron no ser otra cosa que luz que nuestros ojos no están preparados para ver. Con estos resultados, el físico Maxwell formuló el electromagnetismo, donde estos rayos se explican cómo ondas que se propagaban en el espacio y el tiempo. Cada onda se caracteriza por su energía asociada que se traduce como una frecuencia o una longitud de onda. Además, resulta que cada rango de energía es capaz de fotografiar un mismo objeto de manera distinta, qué manera de complicarse… Pero espera, ¡esto es bueno! Radiando un mismo objeto con distintas “luces” somos capaces de entender cómo funciona a distintas escalas, como un zoom de una cámara. Si nos miramos la pierna tal cual, solo veremos una pierna. Pero si miramos la pierna a través de rayos X (luz más energética que la visible), podremos ver los huesos y con suerte, que no nos hemos roto ninguno.

Entonces, ¡podemos hacer lo mismo con el Universo! Podemos construir telescopios que detecten estas distintas longitudes de onda y ver más allá de lo que nos permite el ojo; sacar “otras fotos” de lo que compone el Universo. Y eso es lo que hemos hecho.

En la actualidad tenemos telescopios de todos los tamaños y clases, desde algunos que detectan ondas de radio y microondas (como las que emiten tus aparatos de casa), hasta los que detectan rayos gamma, un billón de veces más energéticos que la luz que nuestros ojos pueden captar. A pesar de que todos se llamen telescopios, son instrumentos muy distintos y mucho más complejos que los que diseñaron los primeros astrónomos. De hecho, algunos se forman uniendo las capacidades de varios telescopios en distintos lugares del mundo, como el famoso Event Horizon Telescope (EHT), responsable de la fotografía del agujero negro de la galaxia M87. Además, tenemos la suficiente tecnología para no limitarnos a ponerlos en el suelo, ¡podemos mandarlos al espacio!  El telescopio Hubble lleva años ocupando los fondos de pantalla de nuestros ordenadores con fotos realmente impresionantes (https://hubblesite.org/)1.


Fig.2 A la izquierda, el antiguo telescopio refractor de Galileo. A la derecha, tres telescopios actuales. Los espejos de MAGIC son capaces de observar la luz más energética del Universo. Detrás, el GRANTECAN (Gran Telescopio de Canarias), uno de los telescopios ópticos más grandes del mundo.

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bertini_fresco_of_Galileo_Galilei_and_Doge_of_Venice.jpg

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:MAGIC_Teleskop.png 


Pero sabemos que nuestra serie no termina aquí, os hemos dicho que hay más Universo desconocido que conocido. Un segundo, ¿cómo sabemos eso? ¿Cómo sabemos que todo lo que sabemos no es todo lo que se puede saber? Menudo trabalenguas. Digamos que no sois a los primeros que os pasa esto. A principios del siglo XX había un clima entre l@s físic@s de estancamiento. Podíamos describir la luz a través del electromagnetismo, la mecánica estaba buscando aplicaciones en la vida cuotidiana, con la termodinámica sabíamos cómo se comportaban de manera macroscópica los cuerpos más pequeños y las leyes de Newton seguían irrebatibles. ¿Alguien sabe que pasó entonces?

 

Primeros datos del Universo escondido.

Si habéis dicho la física cuántica y la relatividad, habéis acertado. Si habéis dicho que fueron los resultados de estas nuevas fotos del Universo, también. Pero vamos pasito a pasito.

Entramos en el siglo XX. A estas alturas ya conocemos bien el electromagnetismo, pero alguien tuvo la brillante idea de comprobar si era compatible con la mecánica. Con lo bien que estábamos, que pensábamos que ya lo sabíamos todo... Pues va, y no lo son. Este descubrimiento desencadenó que unos años más tarde, Einstein terminase de desarrollar la teoría de la relatividad especial, que resuelve este problema fijando que la luz siempre viaja a la misma velocidad en el vacío. Sin embargo, había algo que aún quedaba fuera de la ecuación, describir la fuerza de la gravedad, lo que hizo con la teoría de la relatividad general. En ella, la gravedad ahora es solo una consecuencia directa de cómo el espacio y el tiempo se relacionan con la materia, y a pesar de que las ecuaciones son muy complicadas, este es el mensaje que nos tenemos que llevar a casa.

La relatividad general cambió el paradigma de cómo entendíamos el Universo, y daba explicación a algunos fenómenos que con la teoría de la gravedad newtoniana no había manera. Cuando las ecuaciones estuvieron listas, un montón de matemáticos y físicos se lanzaron a intentar resolverlas, entre ellas su propio creador. Pero para ello, se necesita asumir una manera de medir distancias y tiempo. Si consideramos el Universo como un todo y ponemos en las ecuaciones de Einstein esta manera concreta de medir distancias (espaciales y temporales), ¡nos encontramos con unas ecuaciones que describen la historia y la evolución de nuestro Universo! Imaginad, de un plumazo, ser capaz de ver cómo fue el Universo primitivo y a la vez, que nos depara el futuro. Una conclusión de estos resultados fue que el Universo no era estático (que está “creciendo”), y por motivos que escapan a nuestra comprensión, esto a Einstein no le gustó ni un pelo. Así que decidió añadir un término a las ecuaciones, uno que estaba permitido matemáticamente y que, según él, permitía describir un Universo estático. Ay… Mira que a día de hoy seguimos haciendo descubrimientos validando sus cálculos, pero cómo se equivocó con esta interpretación…  De momento, vamos a dejar este término, que llamaremos constante cosmológica en la recámara (es una herramienta secreta).

Paralelamente a todo este desarrollo híper-matemático, los astrónomos seguían mirando al cielo y cada vez eran capaces de descubrir y ver nuevos objetos, y cómo no, se encontraban con cosas que no tenían ni idea de qué eran.  El físico Hubble midió que las galaxias que estaban más alejadas de nosotros se alejaban cada vez a mayor velocidad (esto a Einstein tampoco le gustó). Unos físicos de los famosos Laboratorios Bell tenían problemas con su antena de comunicación satélite porque medían un ruido de fondo apuntaran a donde apuntaran... Y los fenómenos paranormales no terminaban aquí.


Fig.3 Cúmulo de galaxias Coma, responsable de los primeros indicios de que había una materia escondida que no emitía luz.

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:The_Coma_Galaxy_Cluster_as_seen_by_Hubble_Heic0813a.jpg


En estos momentos, era bien conocido que hay una correlación entre la masa de un objeto y los procesos que hacen que este emita luz. De hecho, es la principal manera de medir la masa de objetos celestes. En esta tesitura, el astrónomo Zwicky encontró que al cúmulo de galaxias que estaba observando, le faltaba masa. Es decir, según la gravedad newtoniana, para que el cúmulo se moviera a la velocidad que medía, tenía que haber más masa de la que se veía. A finales de los años 60, la astrónoma Vera Rubin consiguió medir con muchísima precisión la velocidad de las estrellas que había en las partes exteriores de una galaxia. Y el resultado fue medir con mucha más precisión esa masa faltante.


Fig.4 Curva de rotación de la galaxia Triangulum. Según la masa medida por la materia visible (la que emite luz), usando la teoría de Newton esperaríamos que las estrellas más alejadas del centro (distancia en el eje X) rotasen cada vez a más lentamente (menor velocidad, eje Y), como se ve en la línea blanca discontinua. Sin embargo, las observaciones (puntos amarillos y azules), muestran que la velocidad de las estrellas aumenta cuánto más alejadas están.

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Rotation_curve_of_spiral_galaxy_Messier_33_(Triangulum).png


En un siglo, pasamos de “entenderlo todo” a saber que no sabíamos ni la mitad de lo que creíamos. Teníamos un montón de observaciones que no sabíamos cómo explicar, pero una teoría de la gravedad, casi por estrenar, que nos permite describir el Universo.

 

Algo que pesa y que no se ve: materia oscura.

Siento decepcionaros, pero la verdad es que a día de hoy seguimos sin saber qué es aquella masa faltante que no emite luz. Lo bueno, es que en estos casi 100 años desde los primeros indicios tenemos un poco más de información de qué es esta materia oscura. Aunque realmente sabemos más sobre lo que no puede ser.

Por sorprendente que os parezca, una de las opciones que se sigue barajando es que sigamos sin entender bien la gravedad. Una de las maravillas de la teoría de la relatividad general es que, en las condiciones apropiadas, recupera la teoría de Newton. Sin embargo, ya hemos visto que con ella no podemos reproducir los datos de las curvas de rotaciones. Una de las maneras de interpretar esto es que hay una masa que no podemos ver, pero ¿y si lo que está mal es cómo hacemos los cálculos gravitatorios? Las teorías de gravedad modificada buscan nuevas ecuaciones, al estilo de las de Newton, que puedan corregir este efecto sin la necesidad de contemplar la existencia de una materia rara. Pero no están exentas de problemas. El principal es que estas observaciones de “materia oscura” provienen de objetos celestes de características muy distintas, es una señal universal. Esto es un problema porque estas modificaciones son distintas para cada objeto, lo cual pues puede ser, pero está lejos de estar probado científicamente.

Sin embargo, la interpretación de materia oscura cabe dentro de la relatividad general, tan bien comprobada en la actualidad. Y tampoco nos parece descabellado el hecho de que haya algo en el Universo que aún sea un desconocido. Espera, ¿has dicho que cabe dentro de la relatividad general? ¡Veo que no se os pasa ni una! Efectivamente, este término encaja perfectamente y de hecho es fundamental para explicar las observaciones a escala cosmológica.

Vamos a retomar las ecuaciones de Einstein, pero estas que nos decían tanto el pasado del Universo como sus posibles futuros. Y, por capricho, vamos a dejar la constante cosmológica (llamada con la letra griega L) que añadió Einstein a última hora. Tenemos entonces, tres términos que se relacionan entre ellos: el espacio-tiempo, la materia y esta constante rara. ¿Y dónde va la materia oscura? Pues en el término de la materia, ¡claro! Así, obtenemos el modelo cosmológico de referencia, el mejor describiendo todas las observaciones del Universo, el modelo LCDM, y vamos a ver porqué se llama así.

Claramente la constante cosmológica L está jugando un papel importante aquí, pero no os he explicado cual y ha sido a propósito. ¿Os acordáis de aquellas observaciones raras de galaxias que se alejaban más deprisa cuanto más lejos estaban? Pues aquí viene L a salvarnos el día. Estas observaciones indican que el Universo está expandiéndose. Significa que cada vez, los objetos celestes que están a nuestro alrededor, se van a ir alejando más y más de nosotros. Pero no porque se quieran ir, sino porque el espacio entre nosotros está aumentando. ¿Espera qué? Sí, como lo lees. No es solo que nuestros vecinos se aparten, sino que lo hacen porque el espacio que hay entre nosotros crece, por eso decimos que el Universo se expande. Esto parece muy complicado, así que vamos a pensarlo en términos de algo que nos gusta a todos, los pasteles. Pensad que hemos hecho un pastelito, con virutas de chocolate por encima (¡muy importante!), y está listo para meterlo al horno. Como tenemos mucha hambre, pegamos la nariz a la puerta del horno para ver cómo se cocina. Vemos como el pastelito empieza a crecer con el calor en todas las direcciones que puede, y como las virutas de chocolate que tenía por encima, cada vez se separan más unas de otras. Pues ahora imaginad que el Universo es el pastelito y las virutas de chocolate son las galaxias, ¡y listo!

De hecho, no es solo que el Universo se expanda, sino que lo hace de manera acelerada. Esto lo sabemos desde hace bien poco. Pero para acelerar algo, necesitamos una energía, una fuerza… A esta energía que hace que el Universo se expanda cada vez más deprisa la llamamos energía oscura, está representada en las ecuaciones del Universo por el término L y tampoco tenemos ni idea de dónde viene o qué es. Pero esto pertenece a los capítulos sobre el Universo acelerado. De momento, ya sabemos de dónde viene la L del LCDM y porqué es necesaria, ahora vamos a por el resto de letras.

Habíamos quedado en que la materia oscura estaba incluida en el término de materia y con las observaciones podemos averiguar qué propiedades debe cumplir. Por el hecho de ser “oscura”, sabemos que no interacciona casi o nada con el resto de materia del Universo, salvo a través de la fuerza gravitatoria. Esto implica que la formación de las estructuras que vemos en el Universo, galaxias (enanas y no tan enanas) y cúmulos de galaxias, tiene que estar altamente influenciada por la materia oscura, y de hecho es una de las pocas pistas que deja para encontrarla. Para explicar estas estructuras, es necesario que la materia oscura arrastrase por gravedad al resto de materia que había en el Universo. En las zonas donde más materia oscura había, más materia ordinaria se concentraba, formándose primero estructuras más pequeñitas, que luego irían chocándose entre ellas, también por las fuerzas gravitatorias, hasta formar los mega cúmulos de galaxias que vemos hoy. Para que esto ocurra, la materia oscura tiene que cumplir tres propiedades:

1. Lo que ya sabemos, que se relacione poco o nada con el resto de materia, incluida la luz. Esto implica que tiene que ser también eléctricamente neutra.

2. ¡Y también que no se desintegre! Si no nos quedamos sin las estructuras…

3. Por último, tiene que ser lenta. Si la materia oscura se moviera a velocidades cercanas a las de la luz, los choques serían mucho menos eficientes formando galaxias, y por lo tanto deberíamos ver menos cantidad de las que hay.

Estas tres características se resumen en tres palabras: fría (la temperatura mide de alguna manera la velocidad de las partículas, asociando caliente a rápido y frío a lento), oscura (la poca o nula interacción con el resto de materia) y materia (porque sufre la gravedad). Si tomamos estas palabras en inglés cold, dark y matter, tenemos las tres letras que nos faltaban de nuestro modelo cosmológico, CDM.

Por si fuera poco, tenemos unas herramientas súper potentes con las que hemos comprobado que este modelo forma las estructuras que observamos, las simulaciones cosmológicas. Así como en física de partículas podemos hacer chocar las veces que queramos partículas (rehacer los experimentos), no podemos crear universos así como así. La única posibilidad es recrear a través de simulaciones estos “nuevos universos”, y contrastarlos con la realidad. Estas simulaciones son monstruosas, se necesitan granjas de ordenadores para poder crearlas y comprenden más de millones de años luz en distancia y más de miles de millones de años en tiempo.


Fig.5 Simulación cosmológica con anchura de 140 millones de años luz y desde hace 13 mil millones de años. Al inicio (arriba izquierda) aún podemos apreciar la sopa de partículas. Conforme el Universo se expande, pierde temperatura, las partículas se enfrían y empieza a dominar la gravedad, formando las estructuras que podemos ver hoy.

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Formation_of_galactic_clusters_and_filaments.jpg


El modelo LCDM no ha parado de cosechar éxitos. Con la teoría de formación de estructuras, obtenemos que la distribución de materia oscura es la que se necesita para explicar las curvas de rotación de las galaxias. Además, también concuerda con las mediciones de los cúmulos de galaxias que empezaron todo este embrollo, y esto no es todo. ¿Os acordáis de los físicos que tenían una antena para telecomunicaciones que medían siempre un ruido de fondo? Bueno pues este ruido de fondo no era otra cosa que la luz más antigua del Universo. Apodado fondo cósmico de microondas (o por sus siglas en inglés CMB), este “ruido” es una foto de cómo era el Universo la primera vez que la luz pudo viajar a través de él, y vaya si podemos obtener información de aquí. Con esta información combinada con el modelo LCDM, podemos cuantificar lo que sabemos del Universo: que solo un 5% es materia ordinaria, que casi un 25% es materia oscura y un 70% es eso que llamábamos energía oscura. Y la única que sabemos lo qué es y cómo se comporta (más que menos) es la materia ordinaria. ¡Así que tenemos trabajo para mucho rato!

 

Buscadores de lo invisible.

Es verdad que el modelo cosmológico LCDM funciona a las mil maravillas, pero entre las cosas que no explica, es qué es en sí la materia oscura. Sabemos que tiene que cumplir ciertas propiedades, pero ¿puede ser una partícula? ¿Puede ser una partícula que ya exista y que solo se “esconda”? ¿Puede ser algo que no sea una partícula? Los físicos llevamos desde las primeras evidencias tratando de responder a esto, y la verdad es que opciones no nos faltan.

De las primeras cosas que hay que hacer cuando descubres algo que puede ser algo nuevo, es asegurarte de que de verdad no es algo viejo. La materia que hemos estado llamando ordinaria, es la materia que hemos estudiado en el cole. La que está compuesta de moléculas y en última instancia por átomos. Al menos, esto es lo que nos dicen en la escuela. Si seguimos haciendo zoom, podremos distinguir cosas más pequeñas aún, cosas que llamamos partículas. Dentro del átomo, conviven protones y neutrones formando un núcleo y electrones, paseándose por la parte más exterior. Si hacemos zoom en ese núcleo, podremos distinguir que los protones y los neutrones también están compuestos de otras partículas, los quarks. Aquí igual ya nos hemos perdido un poco más. El átomo se mantiene unido gracias a las fuerzas del electromagnetismo, ya que las cargas negativas de los electrones se compensan con las positivas del núcleo. Pero el núcleo no puede mantenerse estable por la fuerza electromagnética, de hecho, sería más bien lo contrario ya que en él solo hay cargas positivas y cargas neutras. Para explicar que se mantenga estable y unido, existe la fuerza nuclear fuerte (sí, porque es más fuerte que la electromagnética) actuando en los quarks. Ésta tiene un efecto un tanto curioso, ya que es más fuerte cuanto más alejadas están estas partículas, provocando que queden confinadas dentro de los núcleos atómicos y sea imposible encontrarlas libres en la naturaleza. Pero sí que hay otras partículas compuestas por quarks libres en la naturaleza. Como veis, incluso explicar cómo funciona la materia ordinaria se vuelve más y más complicado. A estas escalas, uno ya se mueve junto con la física cuántica y además, necesitamos integrar todas estas fuerzas. De eso se ocupa el modelo estándar de física de partículas. El modelo estándar describe todas estas fuerzas y predice la existencia de todas las partículas que conocemos y sus propiedades. Así que, si hay que comprobar que la materia oscura es algo nuevo, habrá que comprobar que ninguna partícula del modelo estándar se esté camuflando con este nombre.

Revisando las propiedades que mencionábamos antes, resulta que de entrada ninguna cumple los requisitos. ¿Y la antimateria? Bueno, aunque nos suene como algo novedoso y que según las películas de los domingos por la tarde pueda destruir el Universo, la antimateria son copias de todas las partículas, pero como se verían en un espejo, así que tampoco nos sirve. Entonces… necesitamos partículas nuevas.

Decirle a un físico teórico que necesitas partículas nuevas, es como dejar a un niñ@ en una juguetería una noche entera. Aunque sepamos algunas propiedades que tienen que cumplir estas nuevas partículas, no tenemos ni idea de qué masa pueden tener, ni exactamente que interacciones sufre. Es como si en el DNI solo pusiera tu nombre y dónde naciste. Esto hace que haya mucha libertad para generar estas partículas, y existen modelos de todos los colores y para todos los gustos. Hay algunas con masas un cuatrillón de veces más pequeña que la de un electrón, y otras, mil millones de veces mayor. Luego tenemos la opción de que la materia oscura no sea una sola partícula, sino que como pasa con la materia ordinaria, puede que sean varias partículas con sus respetivas nuevas interacciones y que necesitemos un nuevo modelo estándar para este sector oscuro. Y, de hecho, podemos ir incluso más allá. Podemos pensar que la materia oscura no tiene porqué ser una partícula fundamental, que puede ser un objeto más complejo y que tampoco sabemos identificar, como mini agujeros negros. Como veis, es como pasear por un zoo de posibles candidatos.


Fig.6 Esquema de las partículas fundamentales que componen la materia ordinaria y de distintos modelos de nuevas partículas que pueden ser la materia oscura.

https://www.symmetrymagazine.org/article/december-2013/four-things-you-might-not-know-about-dark-matter


La única ventaja de tener tantas posibilidades y tan distintas, es que cada una deja unas huellas muy diferentes. Unas huellas que nosotros, como detectives, vamos a intentar seguir. A pesar de que sabemos que la materia oscura no se habla mucho con el resto de materia, aún hay un pequeño hueco para que de vez en cuando le envíe un WhatsApp para preguntarle cómo le va la vida. Según la mayoría de modelos que asumen que la materia oscura es una partícula, existen tres pistas para poder encontrarla. La primera, tratar de cocinarla nosotros. Es decir, usar los grandes colisionadores de partículas y esperar que, entre el barullo de resultados, produzcamos materia oscura. La segunda, es poner un material muy muy denso y esperar que la materia oscura decida chocar con él. Y la última, usar mega-telescopios para recibir señales de colisiones entre las propias partículas de materia oscura. Las tres son necesarias, pero para encontrarla antes, tenemos que dividir los esfuerzos.

La opción de tratar de ver señales del choque entre materia oscura (llamado aniquilación) es muy prometedora, por el simple hecho de que los indicios su existencia proceden del espacio exterior. Pero tenemos que saber qué señal estamos buscando y qué cosas podemos detectar. ¡Espera, de esto ya hemos hablado! Hemos visto que podemos detectar un montón de tipos de luz que el Universo nos deja, y hay una que destaca entre las demás. La luz más energética que existe, los rayos gamma, no son muy usuales de encontrar. Solo se producen en zonas del Universo muy extremas, con explosiones muy energéticas y unas fuerzas magnéticas terribles. Además, como los fotones no tienen carga, son capaces de escapar de estos infiernos y llegar hasta nosotros apuntando directamente a la zona de donde vienen, como si fueran flechas.  Pero lo mejor de todo es que, según muchos de los modelos, los rayos gamma son un producto casi directo del choque entre dos partículas de materia oscura. Es decir, que si detectamos una señal de rayos gamma, aunque sea bajita, de una zona del Universo que esperamos tenga mucha materia oscura y sin ser una zona extrema, ¡eso es materia oscura!


Fig.7 Posibles interacciones de la materia oscura con la materia ordinaria, que nos permiten establecer tres métodos de búsqueda complementarios: producir materia oscura haciendo chocar materia ordinaria, chocar materia oscura con materia ordinaria, o chocar materia oscura entre sí.

https://particleastro.brown.edu/dark-matter/

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Crshower2_nasa.jpg


Esto suena genial, ¿no? Apuntamos con estos telescopios a una zona de estas características y listo. Eso pensábamos muchos, pero la materia oscura está en modo peli y manta y que nadie me moleste. Cuando hacemos esto y no detectamos ninguna señal, descartamos algunos de los modelos que habíamos preparado. Si con esta sensibilidad aún no hemos visto esta partícula, es que esta no puede ser, y así, con todos. Además de que detectar rayos gamma tampoco es pan comido. En los telescopios terrestres, detectamos la luz que llega resultado de que los rayos gamma interaccionen con las partículas de la atmósfera. Y también nos tenemos que asegurar de su procedencia. Hay zonas del Universo donde esperamos mucha cantidad de materia oscura pero también son zonas extremas que producen rayos gamma por otros motivos, y hay que intentar distinguir la procedencia de cada uno.


Fig.8 Representación de la luz que provocan los productos de la interacción de los rayos gamma con las partículas de la atmósfera.  

https://www.eso.org/public/images/eso1841i/


¿No hay entonces una manera más fácil de ver las señales de la aniquilación de materia oscura? Fácil como quien dice fácil, no, pero si hay otras maneras. Lo primero que podemos hacer, es usar telescopios en otro rango de energías para tratar de distinguir rayos gamma de materia oscura de rayos gamma normales. A esto se le conoce como astronomía multiwavelenght, o astronomía de varias longitudes de onda.

Otra cosa que podemos hacer es ver si de la aniquilación de materia oscura podemos obtener otras señales, recibir información de otros “mensajeros”. Según los modelos, hay dos señales más que pueden funcionar casi tan bien como los rayos gamma. Unos son los rayos cósmicos. Estos “rayos cósmicos”, aunque también se llamen rayos, no son luz, sino partículas cargadas. La señal que buscamos en este caso, es un chorro de partículas de antimateria. También son un producto casi directo del choque y, además, no abunda en el Universo. Así que una pequeña señal sería suficiente para poder distinguirlos.

Otra señal que estamos buscando son neutrinos. Los neutrinos son los primos pequeños de los electrones, pero sin carga. Esto hace que, igual que los rayos gamma, actúen como una fecha y apunten directamente a su origen. Pero ni os digo lo difícil que es detectar neutrinos. Ahora mismo, están atravesando miles de millones de ellos nuestra mano y ni nos estamos enterando.

Como colofón, en 2016 detectamos ondas gravitatorias por primera vez. A parte de suponer el Nobel para sus descubridores, las ondas gravitatorias fueron predichas por Einstein en teoría de la relatividad general y pueden resultar muy útiles en el futuro próximo para complementar las búsquedas de materia oscura. Al fin y al cabo, todas las evidencias de su existencia son a través de la gravedad…

La discusión está lejos de terminar, pero el futuro pinta brillante. Dentro de poco tendremos nuevos telescopios de rayos gamma mucho más potentes de los que jamás hemos podido construir, los colisionadores de partículas están alcanzando cada vez energías más altas y, con la entrada en el tablero de las ondas gravitatorias abrimos una nueva ventana inexplorada, otra “foto” distinta del Universo para averiguar todo lo que esconde.

 

Notas:

1 Nota del coordinador: En el preciso momento de estar editando este texto se está produciendo el lanzamiento del Telescopio James Webb (https://webbtelescope.org/).


Judit Pérez Romero.

Doctora en Física Teórica (25-11-2022).

Universidad Autónoma de Madrid e Instituto de Física Teórica UAM/CSIC.


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