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Vibrante controversia sobre la materia oscura
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Vibrante controversia sobre la materia oscura


Una vehemente polmica mantiene enfrascados a fsicos y astrnomos: la seal de rayos X que pareca indicar que la materia oscura estaba constituida por neutrinos estriles no aparece en nuevas observaciones.

Oscura y misteriosa

Cinco veces ms abundante que la materia ordinaria, la materia oscura es un ingrediente esencial del universo. Es indispensable para explicar los rpidos movimientos de las estrellas en la periferia de las galaxias y para explicar los movimientos relativos de las galaxias en los cmulos. La materia oscura jug un papel crucial en la formacin y evolucin de galaxias y cmulos de galaxias y tiene efectos que pueden ser medidos en el fondo csmico de microondas (tal y como hizo el satlite Planck).

Ms del 80% de la masa de una galaxia es materia oscura, pero de qu est hecha esta misteriosa materia? Los insistentes intentos de los astrnomos por detectarla directamente en el espacio vienen siendo tan infructuosos como los de los fsicos de partculas que intentan ponerla de manifiesto en grandes aceleradores como el LHC del CERN.

3,5 kiloelectronvoltios

En 2014, unos estudios realizados por Esra Bulbul (Center for Astrophysics, Harvard) y por Alexey Boyarsky (Universidad de Leiden), de manera independiente, encontraron una pista que podra dar la ansiada respuesta a los interrogantes sobre la materia oscura. Estos autores, al examinar los rayos X emitidos por decenas de cmulos de galaxias, encontraron que las regiones centrales de los cmulos emitan una seal debilsima centrada en energas de 3,5 kiloelectronvoltios (keV), uno de ellos era el famoso cmulo de Perseo.

La seal, recogida por el telescopio espacial XMM-Newton de la ESA, era tan dbil que, para detectarla claramente (con ms de 3 4 sigmas, en el argot cientfico), haba que adicionar las emisiones de varios de estos cmulos, mediante una tcnica conocida en astronoma como ‘stacking’.

La seal a 3,5 keV no encontraba ninguna explicacin dentro de la fsica conocida de plasmas. Uno podra pensar en una lnea espectral, por ejemplo: la de un elemento como el argn. Pero una explicacin as resultaba imposible, el argn deba emitir una seal 30 veces menor a la observada. Haba que pensar en explicaciones ms heterodoxas y los fsicos tericos se volcaron sobre el tema. En pocos meses se public un centenar de artculos proponiendo explicaciones alternativas.

Neutrinos estriles

De entre las hiptesis propuestas, la que ms prosper fue la que explicaba la seal a 3,5 keV como el resultado de la desintegracin de un tipo de neutrinos denominados ‘estriles’. Los neutrinos, que invaden el universo en cantidades ingentes, se barajaron en un principio como posibles constituyentes de la materia oscura, pero esta explicacin debi ser abandonada pues la masa de todos esos neutrinos resultaba insuficiente. Los neutrinos estriles seran partculas ms masivas que los neutrinos conocidos hasta la fecha. Un neutrino estril de 7 keV de energa, al desintegrarse podra producir un neutrino ordinario y un fotn X de 3,5 keV, lo que explicara el origen de la misteriosa seal procedente de los cmulos de galaxias.

Pero esta explicacin adoleci de varios problemas desde el principio. El primero de todos es que tales neutrinos estriles no son ms que partculas hipotticas que no han sido detectadas hasta ahora de manera directa.

Adems, la misteriosa seal a 3,5 keV fue buscada, pero no detectada en lugares donde deba ser particularmente intensa, como la propia Va Lctea o el cmulo de galaxias en Virgo, una enorme agrupacin de 2000 galaxias diez veces ms cercana que el cmulo de Perseo. Varios grupos de astrnomos pusieron en duda los trabajos de Bulbul y de Boyarsky. Ni el telescopio Chandra de la NASA, ni el japons Hitomi (que, desgraciadamente, tan solo funcion durante siete horas) tampoco detectaron la seal en el cmulo de Perseo.

Recreaci
Recreacin de la Va Lctea con su halo de materia oscura.

La desaparicin

Tratando de zanjar el problema, un equipo encabezado por Christopher Dessert (Universidad de Michigan) ha analizado ahora cientos de observaciones realizadas, tambin por el telescopio XMM-Newton, sobre campos vacos del halo de la Va Lctea. En estos campos hay menos posibilidades de contaminacin por otros astros, y el halo de nuestra galaxia deba mostrar inequvocamente la escurridiza seal a 3,5 keV. El tiempo de exposicin acumulado por estos autores fue de un ao, pero segn se informa en la publicacin reciente de Dessert en la prestigiosa revista Science, no hay ni rastro de la seal.

As que asunto concluido? Por supuesto que no. Boyarsky ha vuelto a la carga con sus detecciones. De hecho, este investigador haba intentado publicar un artculo basado en los mismos datos utilizados por Dessert en el que presenta un anlisis alternativo y una deteccin en la Va Lctea. Aunque este manuscrito, que data de febrero de 2019, no ha pasado los filtros de revisin habituales, puede ser consultado en el servidor de documentos arXiv.

El fondo de la cuestin

La polmica tiene su origen en las dificultades inherentes al anlisis de seales tan dbiles. Una de las mayores dificultades en la reduccin de estos datos es la ‘substraccin del fondo’, es decir, la eliminacin de la seal residual que existe en el cielo para dejar aparecer la emisin propia del halo de la galaxia, o la de un cmulo de galaxias. En rayos X, ese fondo tiene varias componentes: la emisin de otros astros en el campo de observacin, los rayos csmicos galcticos, el viento solar, etc.

No hay una nica tcnica para la substraccin del fondo. Dessert pretende haber utilizado una nueva tcnica estadstica similar a la que se usa en aceleradores como el LHC. Boyarsky argumenta que esa tcnica utiliza una ventana espectral de tan solo 0,5 keV de anchura (centrada en los 3,5 keV) y que es insuficiente, mientras que su grupo utiliza una ventana que va desde 2 hasta 6 keV.

Para seguir adelante

El problema real es que nos encontramos en el lmite de lo que es medible con los telescopios actuales de rayos X y, en este punto, no es posible concluir sobre la existencia (o no) de esa supuesta debilsima seal procedente de unos hipotticos neutrinos estriles.

Para llegar a concluir se necesitan telescopios de mayor sensibilidad, que sean capaces de medir en este rango de energas con mayor precisin. Afortunadamente, un telescopio de estas caractersticas, el denominado eROSITA, ha sido construido por el Instituto Max Planck de Fsica Extraterrestre (Mnich) y ha sido lanzado al espacio el 13 de julio del ao pasado desde el cosmdromo de Baikonur (Kazajistn). Y, a este, seguir el japons XRISM que debera ser lanzado en 2022.

Gracias a estos nuevos telescopios, al menos podremos, en tan solo unos meses, aislar mejor la seal de 3,5 keV, si es que existe realmente, y medir su intensidad. En paralelo, los fsicos de partculas seguirn afanndose por poner de manifiesto los neutrinos estriles en los aceleradores de partculas ms potentes, como el mencionado LHC del CERN.

Rafael Bachiller es director del Observatorio Astronmico Nacional (Instituto Geogrfico Nacional) y acadmico de la Real Academia de Doctores de Espaa.

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