Una sorprendente señal de rayos gamma en una galaxia satélite podría provenir de WIMP

Una sorprendente señal de rayos gamma en una galaxia satélite podría provenir de WIMP

Una vista cercana de una galaxia enana.  Las colecciones difusas de estrellas no suelen incluir muchas fuentes de rayos gamma.

Una vista cercana de una galaxia enana. Las colecciones difusas de estrellas no suelen incluir muchas fuentes de rayos gamma.

Al igual que las lunas que orbitan alrededor de un planeta, hay cuerpos más pequeños que rodean la Vía Láctea. Conocidas como galaxias enanas, pueden ser lo suficientemente tenues como para escapar a la detección; no está claro cuántas hay en total, y siempre se detectan nuevas enanas. Una de estas galaxias enanas fue descubierta en las últimas semanas utilizando datos del Dark Energy Survey, un experimento que escanea el cielo del sur para aprender más sobre la expansión acelerada del Universo (el nombre del experimento proviene de la misteriosa energía oscura que causa esta aceleración).

El enano, conocido como Reticulum 2, se encuentra a unos 98.000 años luz de la Tierra, lo que lo convierte en uno de los satélites descubiertos más cercanos a la Vía Láctea. Pero esa no es su característica más emocionante. La minigalaxia parece estar emitiendo una fuerte señal de rayos gamma, concluye el equipo de investigación en un artículo enviado a la revista. Cartas de exploración física. Esto es sorprendente para un enano, ya que tienden a carecer en su mayoría de los objetos que normalmente producen rayos gamma. Aunque es demasiado pronto para decir con certeza cuál es la fuente de los rayos gamma, los autores han llegado tentativamente a una conclusión muy intrigante: la aniquilación de la materia oscura.

Enanos y materia oscura

Al igual que sus contrapartes más grandes, las galaxias enanas se asientan en una mancha esférica, o halo, de materia oscura que constituye la mayor parte de la masa de la galaxia. En el caso de los satélites de la Vía Láctea, sus halos se ubican dentro del halo más grande de la Vía Láctea, convirtiéndolos en subhalos.

A veces, estos subhalos pueden existir sin galaxias visibles en su interior. La razón de este fenómeno sigue siendo un enigma, pero originalmente se consideró una posible solución a un problema del modelo principal de materia oscura: había menos enanas visibles orbitando la Vía Láctea de lo esperado. Ahora que se han descubierto más galaxias de este tipo, sigue siendo un rompecabezas, pero ya no es un desafío para nuestros modelos de materia oscura.

Pero ha aparecido una nueva forma del problema. En los subhalos vacíos, la masa tiende a acumularse más hacia los centros que en los subhalos que contienen galaxias. Esta además presenta un desafío al modelo principal de la materia oscura. Recientemente analizamos algunas de las posibles soluciones, y una de las más prometedoras es algo llamado materia oscura autointeractiva (SIDM).

En general, se supone que la materia oscura no interactúa mucho consigo misma. En otras palabras, se cree que las partículas individuales no chocan muy a menudo. Después de todo, sabemos que no interactúan con las partículas a través del electromagnetismo, que es la fuerza que mantiene unidos a todos los objetos terrestres y evita que te caigas al suelo en este momento. Pero es posible que la materia oscura interactúe débilmente, lo que significa que interactúa a través de la fuerza nuclear débil, lo que permitiría colisiones ocasionales.

Si la materia oscura interactuara constantemente consigo misma, esto podría explicar el llamado problema del satélite faltante descrito anteriormente. La energía podría redistribuirse entre las partículas de materia oscura a medida que chocan entre sí, manteniendo constante la densidad base del enano y haciendo coincidir las observaciones. La pregunta era si se pueden encontrar pruebas de materia oscura que interactúe consigo misma.

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¿Qué tiene que ver todo esto con la enana recién descubierta, Reticulum 2, y sus emisiones de rayos gamma?

Retículo 2 y materia oscura

Los autores del estudio creen que los rayos gamma de Reticulum 2 probablemente sean producidos por la colisión de partículas de materia oscura. La fuerte señal de rayos gamma indica que es poco probable que sea el resultado de otros objetos productores de rayos gamma conocidos, como los agujeros negros y los púlsares. «Algo en la dirección de esta galaxia enana está emitiendo rayos gamma», dijo Alex Geringer-Sameth, investigador postdoctoral en el Departamento de Física de CMU y autor principal del artículo. «No hay una razón convencional por la que esta galaxia deba emitir rayos gamma, por lo que es potencialmente una señal de materia oscura».

Y no hay duda de que tal señal de rayos gamma podría involucrar materia oscura. «Si ves rayos gamma en una galaxia enana, sería una buena manera de demostrar que estás viendo materia oscura», dijo Neal Weiner, físico de partículas de la Universidad de Nueva York que estudia la materia oscura. New York Times.

Los investigadores han considerado durante mucho tiempo que las galaxias enanas son los lugares ideales para buscar una señal de rayos gamma de este tipo. Las galaxias más grandes tienen más materia oscura, por lo que su señal puede ser más fuerte, pero también tienen muchos más objetos, como agujeros negros, que pueden producir rayos gamma, lo que hace que sea más difícil determinar cuál (si corresponde) proviene de la materia oscura.

Estudios previos han buscado una señal de rayos gamma de galaxias enanas como Reticulum, pero no encontraron una emisión significativa de rayos gamma. Esto no descartó la posibilidad de que la materia oscura con autointeracción produjera rayos gamma, pero impuso restricciones sobre la frecuencia con la que las partículas de materia oscura podrían colisionar. Sin embargo, es justo preguntar: si la señal de Reticulum es de hecho el resultado de la materia oscura, ¿por qué otras enanas no han detectado señales similares?

«No hemos detectado nada de otras galaxias enanas porque la mayoría de las galaxias enanas están más lejos (excepto una o dos), y es posible que no sean tan grandes», dijo Savvas Koushiappas, físico de la Universidad de Brown y uno de los autores del artículo. . , dice Ars. «Pero tenemos que tener cuidado aquí porque por el momento no tenemos una medida de la distribución de la materia oscura en este nuevo objeto (hicimos una predicción basada en el flujo de rayos gamma)».

Tal medida normalmente se haría observando los movimientos de las estrellas en la galaxia. Pero dado que ese trabajo aún no se ha realizado, los investigadores hicieron una estimación de la masa del halo de Reticulum basándose únicamente en los rayos gamma. Cuanta más materia oscura haya, más probable es que las partículas choquen entre sí. Y cuantas más colisiones haya, más rayos gamma se producirán. Esta situación permitió a los investigadores calcular la masa de materia oscura.

¿Qué es la materia oscura?

Aunque es casi seguro que la materia oscura existe y constituye la mayor parte de la masa del Universo, se desconoce su identidad. Probablemente sea algún tipo de partícula, pero ninguna de las partículas conocidas en el Modelo Estándar cumple los requisitos. Hay muchas posibilidades fascinantes, incluidos los axiones, los neutrinos estériles e incluso posibilidades extrañas que no son partículas, como los defectos topológicos. Pero el principal candidato actual son los WIMP: partículas masivas que interactúan débilmente.

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Estas partículas teóricas están fuera del Modelo Estándar y reciben su nombre del hecho de que interactúan débilmente pero tienen una masa considerable. En particular, producirían los rayos gamma observados desde Reticulum. «Lo que hemos demostrado es que la explicación más simple (materia oscura fría que se aniquila consigo misma produciendo fotones) puede ser una hipótesis válida para explicar los datos experimentales. Un WIMP puede hacer exactamente eso muy bien», dijo Koushiappas a Ars.

¿Significa esto que si confirmamos que la señal de rayos gamma proviene de la materia oscura, eso demostraría que la materia oscura es de hecho WIMP? «Tal vez sí, tal vez no», dijo Koushiappas. «Lo que se debe hacer es identificar los canales de aniquilación preferidos. Una vez que tengamos eso, es posible comenzar a pensar en patrones específicos de materia oscura que pueden o no ser consistentes con los canales de aniquilación preferidos derivados. ).

Otras posibilidades

Como hemos visto, está lejos de concluirse que la señal de rayos gamma sea el resultado de la materia oscura. «Mientras Ret2 [gamma]La señal de rayos es tentadora”, escriben los autores en su artículo, “sería prematuro concluir que tiene un origen de materia oscura. De hecho, las señales no alcanzan el nivel de certeza (cinco sigma) requerido para un descubrimiento en física de partículas; dependiendo de cómo se analice, la señal de rayos gamma puede ser tan baja como 2,3 sigma.

Esta no es la primera vez que se observa una posible señal de materia oscura en los rayos gamma, pero todas las anteriores se han desvanecido en el fondo con observaciones más detalladas. Así que claramente hay una necesidad de más observaciones antes de que alguien se moleste.

Pero si no es materia oscura, ¿qué podría ser? Hay algunas posibilidades. Con mucho, la «más mundana», como dicen los autores, es la posibilidad de que haya otra fuente que produzca rayos gamma que no esté en absoluto en el retículo sino que esté en la misma dirección. Existe tal candidato, un cuásar que se encuentra a solo 0,46 grados del Reticulum 2 en el cielo. Los autores consideran que se trata de una fuente cuestionable porque este tipo de cuásar no suele producir una señal de rayos gamma de este tipo. Pero señalan que se necesita hacer más trabajo para descartarlo.

Otra posibilidad es la de los púlsares de milisegundos. Son púlsares, estrellas de neutrones extremadamente densas que emiten rayos de radiación desde sus polos, parecidos a un faro, que giran tan increíblemente rápido que completan una rotación completa en 1 a 10 milisegundos (de ahí el nombre). Estos púlsares de milisegundos pueden emitir rayos gamma, lo que lo convierte en una posibilidad, aunque es poco probable que puedan producir los rayos gamma de alta energía del retículo.

Los rayos cósmicos de alta energía también podrían producirse cerca de estrellas masivas jóvenes. Si Reticulum 2 tiene tal población de estrellas, es posible que esta sea la fuente de los rayos gamma. Futuros trabajos espectrográficos verificarán si este es el caso.

“La comunidad debe realizar mucho trabajo para confirmar o descartar la presencia de un exceso de rayos gamma a lo largo de la línea de visión del retículo 2”, dijo Koushiappas. «Si efectivamente hay un exceso por encima de lo que uno esperaría de un fondo aleatorio, entonces se debe encontrar una explicación. Es solo que en el caso de las galaxias enanas, el rango de posibles explicaciones es extremadamente limitado porque son sistemas muy silenciosos (en rayos gamma ).La materia oscura es una de esas posibilidades muy raras, ¡quizás la más emocionante! Con más datos de Fermi, además de la próxima actualización del conjunto de datos, esperamos poder descubrir más sobre la presencia y el origen del espectáculo.

El arXiv. Número de resumen: 1503.02320 (Acerca de arXiv). Aparecer en Cartas de exploración física.

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