Cuando nuestros telescopios contemplan el universo, observan miles de millones de galaxias, cada una de ellas con miles de millones de soles y de planetas. Aun así, la mayor parte de lo que constituye el cosmos que habitamos es de naturaleza desconocida, ya que los astrónomos saben, desde hace poco menos de un siglo, que en el espacio debe existir una materia invisible, denominada oscura y que domina en la proporción de 5 a 1 sobre la materia que está compuesta por átomos (como la que forma galaxias, estrellas y planetas).
La comprensión de la materia oscura es uno de los desafíos más importantes que tiene planteada la cosmología actual. A pesar de su abundancia, nunca ha sido detectada directamente y sólo se ha podido deducir su presencia por los efectos gravitatorios que ejerce a su alrededor. Además, su composición es desconocida, y se han planteado diversas hipótesis que requieren de la existencia de nuevas partículas que todavía no se han descubierto.
Pero la resolución de este misterio podría estar cercana. Un estudio, recientemente publicado y elaborado desde la Universidad de Tokio, puede haber encontrado una pista que podría ser clave: la detección de un exceso de radiación gamma proveniente del halo de nuestra galaxia, donde se cree que se acumulan grandes cantidades de materia oscura. Esta luz energética podría haber sido liberada por la aniquilación de un tipo de partículas llamadas WIMP y que son consideradas como uno de los principales candidatos para ser los constituyentes de la materia invisible.
A partir de ahora, este estudio deberá ser validado por nuevas investigaciones. Y, en el escenario más óptimo, este hallazgo podría significar un gran avance para desvelar uno de los enigmas más elusivos del universo.
Materia invisible
Las primeras sospechas sobre la existencia, en el universo, de un tipo de material distinto a todo lo conocido empezaron en la década de 1930, cuando el astrónomo de origen búlgaro Fritz Zwicky se dio cuenta que, en los grandes grupos de galaxias, debía esconderse mucha más masa de la que los instrumentos podían percibir. Es más, sólo si esta masa extra existía se podía explicar que las galaxias se mantuviesen agrupadas y no se dispersasen. Fue Zwicky quien acuñó el término materia oscura para referirse a este material invisible que no emite luz alguna.
Mapa que muestra la concentración de radiación gamma que podría ser emitida por las partículas que componen la materia oscura
Tomonori Totani, The University of Tokyo
Décadas después, la astrónoma norteamericana Vera Rubin también halló pruebas de la existencia de la materia oscura cuando analizó la rotación de las galaxias. Pero la indicación más robusta llegó con el estudio de la llamada radiación cósmica de microondas, la luz liberada poco después del Big Bang. La estructura de esta emisión sólo puede explicarse si existe un componente de materia invisible, no compuesta por átomos y cinco veces más abundante que la materia ordinaria.
La materia ordinaria, compuesta por átomos y que forma galaxias, estrellas, planetas y todo lo que nos rodea, resulta ser un componente minoritario del universo
Adaptado de NASA
La búsqueda
El hecho que la materia oscura no emita luz complica su detección. Su presencia se ha podido deducir indirectamente gracias a las perturbaciones gravitatorias que ejerce sobre las grandes estructuras del universo (como, por ejemplo, los cúmulos de galaxias).
En esta imagen del cúmulo de galaxias de la Bala se ha marcado, en azul, la presencia de materia oscura que se delata por los efectos gravitatorios que ejerce
NASA, ESA
Para dar cuenta de su composición, se han propuesto diversos candidatos. En especial, nuevas entidades, no contempladas en el modelo estándar de partículas vigente, como las llamadas WIMP (acrónimo que proviene del inglés y que se traduce como partículas masivas que interaccionan débilmente) o también los axiones (corpúsculos extraordinariamente ligeros).
En esta ilustración aparecen algunos de los candidatos que podrían conformar la materia oscura, como las WIMP o los axiones
Sandbox Studio, Chicago con Ana Kova
El descubrimiento de alguna de estas supuestas partículas sería crucial para avanzar en el conocimiento de la materia oscura. Los colisionadores de partículas (como el del CERN) se han convertido en laboratorios esenciales para intentar detectar las WIMP o los axiones, o bien descartar definitivamente su existencia. Pero hasta el momento esta búsqueda ha sido infructuosa.
La luz de la aniquilación
Las propiedades que se han descrito para las WIMP predicen que estas partículas pueden aniquilarse entre ellas liberando luz muy energética en el rango de los rayos gamma. De esta forma, el hallazgo de emisiones gamma que no pudiesen ser explicadas por fenómenos conocidos podría sugerir que las WIMP existen.
Además, si estas radiaciones se detectasen en lugares en los que se sabe que la materia oscura se concentra se tendría una pista fundamental para resolver el misterio de la naturaleza de este componente mayoritario del cosmos. Y justamente esto es lo que ha encontrado el nuevo estudio, liderado por Tomonori Totani (Universidad de Tokio).
Un brillo en el halo galáctico
Totani ha analizado 15 años de observaciones realizadas por el telescopio espacial de rayos gamma Fermi de la NASA. En particular, ha centrado la búsqueda en el denominado halo de nuestra galaxia, una enorme región que envuelve la Vía Láctea, que se extiende mucho más allá del disco galáctico y que posiblemente contiene grandes cantidades de materia oscura.
En este mapa aparece la luz gamma detectada por el nuevo estudio. Se ha eliminado la parte central para evitar contaminación proveniente del interior de la galaxia
Tomonori Totani, The University of Tokyo
Los resultados de la investigación desvelan un exceso de radiación gamma, cuya estructura es compatible con la desintegración que los modelos predicen para las WIMP, y sugieren una masa 500 veces mayor que la de un protón para estas partículas.
Un paso de gigante… con cautela
Totani ha descartado algunas fuentes que son generadoras de este tipo de radiación. El científico japonés ha dirigido su análisis al halo y no al centro de la Vía Láctea, como han hecho otros proyectos, para evitar la interferencia de objetos como las estrellas de neutrones, abundantes en el interior de la galaxia y que también emiten luz gamma.
En palabras de Totani, si las conclusiones de su estudio son correctas “sería la primera vez que la humanidad ha ‘visto’ materia oscura”. Y, al mismo tiempo, se podría ratificar que la materia oscura está formada por WIMPs, una nueva entidad que no está incluida en el modelo estándar actual de física de partículas.
El modelo estándar de partículas actual no incluye los candidatos más prometedores para dar cuenta de la materia oscura
Fermilab, adaptación de Cush
Sin embargo, y dada la trascendencia del asunto, para dar validez a los resultados, éstos deberán ser confirmados de manera independiente por otros proyectos de investigación. En este sentido, una de las pruebas más convincentes sería detectar emisiones parecidas provenientes de otros lugares en los que se espera que haya gran cantidad de materia oscura, como por ejemplo alrededor de algunas de las galaxias enanas que se encuentran bajo la influencia de nuestra Vía Láctea. Pero también se deberá asegurar que esta radiación gamma no es liberada por otros fenómenos astrofísicos.