ASTROPARTÍCULAS
En torno al 5 por ciento de la materia oscura podría formar estructuras más compactas de lo que se pensaba.
Se estima que una galaxia como la Vía Láctea contiene unos 300.000 millones de estrellas, la mayor parte de las cuales se distribuyen a lo largo de un disco de unos 100.000 años luz de diámetro y 1000 años luz de espesor. A pesar de lo sobrecogedor de tales dimensiones, la parte visible de la galaxia no supone más que la punta del iceberg: según las teorías cosmológicas modernas, la Vía Láctea se encontraría en el centro de una descomunal nube transparente, muchísimo mayor que el disco visible y unas cuatro veces más masiva que este.
Dicha nube se compondría de materia oscura, una hipotética sustancia que no absorbería ni emitiría luz, pero cuya presencia puede inferirse debido a la poderosa atracción gravitatoria que ejerce sobre el gas y las estrellas. De hecho, se cree que en torno al 85 por ciento de toda la materia del universo es materia oscura. Las observaciones astronómicas indican que los gigantescos halos de materia oscura que envuelven a las galaxias conforman nubes muy difusas y sin estructura definida, lo cual implicaría que sus componentes deberían comportarse como un gas de partículas casi libres; es decir, partículas que apenas interaccionarían entre sí.
En un artículo reciente, un grupo de físicos de Harvard ha argumentado que esa hipótesis adolece de una simplicidad innecesaria. Según Jiji Fan y otros colaboradores, un pequeño porcentaje de la materia oscura sí podría experimentar sus propias interacciones. Y al igual que las fuerzas entre las partículas ordinarias hacen que estas se unan para formar estructuras compactas, también una parte de la materia oscura podría haberse condensado en un disco galáctico propio. El modelo, que fue publicado hace unos días en Physical Review Letters, podría tener consecuencias observables.
Dicha nube se compondría de materia oscura, una hipotética sustancia que no absorbería ni emitiría luz, pero cuya presencia puede inferirse debido a la poderosa atracción gravitatoria que ejerce sobre el gas y las estrellas. De hecho, se cree que en torno al 85 por ciento de toda la materia del universo es materia oscura. Las observaciones astronómicas indican que los gigantescos halos de materia oscura que envuelven a las galaxias conforman nubes muy difusas y sin estructura definida, lo cual implicaría que sus componentes deberían comportarse como un gas de partículas casi libres; es decir, partículas que apenas interaccionarían entre sí.
En un artículo reciente, un grupo de físicos de Harvard ha argumentado que esa hipótesis adolece de una simplicidad innecesaria. Según Jiji Fan y otros colaboradores, un pequeño porcentaje de la materia oscura sí podría experimentar sus propias interacciones. Y al igual que las fuerzas entre las partículas ordinarias hacen que estas se unan para formar estructuras compactas, también una parte de la materia oscura podría haberse condensado en un disco galáctico propio. El modelo, que fue publicado hace unos días en Physical Review Letters, podría tener consecuencias observables.
Disco galáctico oscuro: Mapa celeste de los fotones que se observarían en las rarísimas desintegraciones de partículas de materia oscura: bajo el supuesto de un halo esférico de materia oscura normal (arriba); en el caso de un disco oscuro alineado con el disco de la Vía Láctea (centro), y en el supuesto de un disco oscuro inclinado con respecto al plano de la galaxia (abajo). [JiJi Fan et al.; arxiv.org/abs/1303.3271]
Átomos y fotones oscuros
La materia ordinaria puede condensar y formar estructuras compactas como estrellas y planetas porque dispone de un mecanismo que le permite enfriarse. En particular, protones y electrones pueden perder energía mediante la emisión de radiación electromagnética. Los autores argumentan que lo mismo podría ocurrirle a un pequeño porcentaje de la materia oscura. En concreto, calculan que hasta el 5 por ciento de dicha sustancia podría haber formado una estructura compacta de densidad y proporciones equiparables al disco visible de la galaxia. Esa posibilidad, que habría sido pasada por alto hasta ahora, sería compatible con todas las observaciones registradas hasta la fecha.
Aunque las interacciones de esa fracción subdominante de materia oscura podrían ser de muchos tipos, los investigadores han considerado el modelo más sencillo posible: uno en el que las nuevas partículas serían un equivalente casi exacto de protones y electrones «oscuros», los cuales podrían formar átomos de «hidrógeno oscuro» y enfriarse mediante la emisión de «fotones oscuros». Al igual que ocurre con la materia ordinaria, en las regiones de temperatura más elevada los protones y electrones oscuros también podrían formar un plasma ionizado.
El nuevo estudio no es el primero que considera la existencia de interacciones entre partículas de materia oscura. Sin embargo, en el pasado tales modelos se han propuesto para describir la materia oscura en su conjunto, lo cual conduce a predicciones difícilmente reconciliables con las observaciones astronómicas. Lo novedoso de la propuesta de Fan y colaboradores consiste en suponer que solamente el 5 por ciento de la materia oscura experimentaría interacciones propias de cierta intensidad. Es dicho matiz lo que permitiría que existiese un mundo oscuro dotado de estructuras que, en principio, podrían ser tan complejas como las que forma la materia visible.
Aunque las interacciones de esa fracción subdominante de materia oscura podrían ser de muchos tipos, los investigadores han considerado el modelo más sencillo posible: uno en el que las nuevas partículas serían un equivalente casi exacto de protones y electrones «oscuros», los cuales podrían formar átomos de «hidrógeno oscuro» y enfriarse mediante la emisión de «fotones oscuros». Al igual que ocurre con la materia ordinaria, en las regiones de temperatura más elevada los protones y electrones oscuros también podrían formar un plasma ionizado.
El nuevo estudio no es el primero que considera la existencia de interacciones entre partículas de materia oscura. Sin embargo, en el pasado tales modelos se han propuesto para describir la materia oscura en su conjunto, lo cual conduce a predicciones difícilmente reconciliables con las observaciones astronómicas. Lo novedoso de la propuesta de Fan y colaboradores consiste en suponer que solamente el 5 por ciento de la materia oscura experimentaría interacciones propias de cierta intensidad. Es dicho matiz lo que permitiría que existiese un mundo oscuro dotado de estructuras que, en principio, podrían ser tan complejas como las que forma la materia visible.
Perspectivas experimentales
La existencia de un disco galáctico de materia oscura podría implicar varias huellas observacionales. En primer lugar, la atracción gravitatoria de un hipotético disco oscuro podría dejarse notar en el movimiento de las estrellas y la materia visible. Los autores señalan que tales efectos podrían ser observados por el satélite Gaia, una misión de la Agencia Espacial Europea cuyo objetivo consistirá en cartografiar con un detalle sin precedentes las posiciones y velocidades de unos 1000 millones de estrellas en la Vía Láctea. Su lanzamiento se prevé para finales de este año.
La nueva hipótesis podría dar lugar a otras consecuencias observables, si bien estas ya resultarían más dependientes del modelo concreto que se suponga para las nuevas partículas de materia oscura. Por ejemplo, si estas pudiesen acabar desintegrándose en fotones ordinarios (algo que sí se considera posible en muchos modelos de materia oscura normal), los astrónomos podrían llegar a ver en el cielo algo muy parecido a la débil silueta del hipotético disco oscuro.
Más información en Physical Review Letters y Physics. Una versión gratuita del artículo técnico se encuentra disponible en el repositorio arXiv. Una versión mucho más extensa y con cálculos más detallados puede descargarse aquí.
La nueva hipótesis podría dar lugar a otras consecuencias observables, si bien estas ya resultarían más dependientes del modelo concreto que se suponga para las nuevas partículas de materia oscura. Por ejemplo, si estas pudiesen acabar desintegrándose en fotones ordinarios (algo que sí se considera posible en muchos modelos de materia oscura normal), los astrónomos podrían llegar a ver en el cielo algo muy parecido a la débil silueta del hipotético disco oscuro.
Más información en Physical Review Letters y Physics. Una versión gratuita del artículo técnico se encuentra disponible en el repositorio arXiv. Una versión mucho más extensa y con cálculos más detallados puede descargarse aquí.
—IyC