Representación del artista de una magnetar. Crédito: ESO / L. Calçada
Un astrofísico de la Universidad de Colorado en Boulder está buscando la luz proveniente de un objeto celeste distante y extremadamente poderoso, en busca de lo que puede ser la sustancia más elusiva del universo: la materia oscura.
En dos estudios recientes, Jeremy Darling, profesor del Departamento de Ciencias Astrofísicas y Planetarias, ha examinado en profundidad PSR J1745-2900. Este cuerpo es una magnetar o un tipo de estrella colapsada que genera un campo magnético increíblemente fuerte.
“Es el mejor detector de materia oscura natural que conocemos”, dijo Darling, también del Centro de Astrofísica y Astronomía Espacial (CASA) en CU Boulder.
Explicó que la materia oscura es una especie de pegamento cósmico, una partícula aún no identificada que constituye aproximadamente el 27% de la masa del universo y ayuda a unir galaxias como la nuestra. Vía láctea. Hasta la fecha, los científicos han liderado principalmente la búsqueda de esta materia invisible utilizando equipos de laboratorio.
Darling ha adoptado un enfoque diferente en su última investigación: basándose en los datos del telescopio, está mirando al PSR J1745-2900 para ver si puede detectar las débiles señales de un candidato para la materia oscura, una partícula llamada axión, transformándose en luz. Hasta ahora, la búsqueda del científico ha resultado vacía. Pero sus resultados podrían ayudar a los físicos que trabajan en laboratorios de todo el mundo a reducir sus propias búsquedas del axión.
Los nuevos estudios también son un recordatorio de que los investigadores aún pueden mirar al cielo para resolver algunas de las preguntas más difíciles de la ciencia, dijo Darling. Publicó su primera ronda de resultados este mes en Las cartas del diario astrofísico y Cartas de revisión física.
“En astrofísica, encontramos todos estos problemas interesantes como la materia oscura y la energía oscura, luego damos un paso atrás y dejamos que los físicos los resuelvan”, dijo. “Es una pena.”
Experimento natural
Darling quiere cambiar eso, en este caso, con un poco de ayuda de PSR J1745-2900.
Este magnetar orbita al supermasivo calabozo en el centro de la Vía Láctea desde una distancia de menos de un año luz de distancia. Y es una fuerza de la naturaleza: PSR J1745-2900 genera un campo magnético que es aproximadamente mil millones de veces más poderoso que el imán más poderoso de la Tierra.
Una imagen del centro de la Vía Láctea que muestra la ubicación del agujero negro supermasivo en su centro, llamado Sagitario A *, y el magnetar cercano PSR J1745-2900. Crédito: NASA / CXC / FIT / E
“Los magnetares tienen todo el campo magnético que tiene una estrella, pero se ha reducido a un área de unos 20 kilómetros de diámetro”, dijo Darling.
Y es donde Darling ha ido a pescar materia oscura.
Explicó que los científicos aún tienen que localizar un solo axión, una partícula teórica propuesta por primera vez en la década de 1970. Los físicos, sin embargo, predicen que estos fragmentos efímeros de materia pueden haber sido creados en cantidades monumentales durante la vida temprana del universo, y en cantidades lo suficientemente grandes como para explicar la masa extra del cosmos a partir de la materia oscura. Según la teoría, los axiones son miles de millones o incluso billones de veces más ligeros que los electrones y rara vez interactúan con su entorno.
Eso los hace casi imposibles de observar, con una gran excepción: si un axión pasa a través de un campo magnético fuerte, puede transformarse en luz que los investigadores podrían, teóricamente, detectar.
Los científicos, incluido un equipo de JILA en el campus de CU Boulder, han utilizado campos magnéticos generados en laboratorio para intentar capturar esa transición en acción. Darling y otros científicos tenían una idea diferente: ¿por qué no intentar la misma búsqueda pero a una escala mucho mayor?
“Los magnetares son los objetos más magnéticos que conocemos en el universo”, dijo. “No hay forma de que podamos acercarnos a esa fuerza en el laboratorio”.
Estrechando en
Para hacer uso de ese campo magnético natural, Darling se basó en observaciones de PSR J1745-2900 tomadas por Karl G. Jansky Very Large Array, un observatorio en Nuevo México. Si la magnetar estaba, de hecho, transformando axiones en luz, esa metamorfosis podría aparecer en la radiación que emerge de la estrella colapsada.
El esfuerzo es un poco como buscar una sola aguja en un pajar realmente grande. Darling dijo que si bien los teóricos han puesto límites a lo pesados que pueden ser los axiones, estas partículas aún podrían tener una amplia gama de masas posibles. Cada una de esas masas, a su vez, produciría luz con una longitud de onda específica, casi como una huella dactilar dejada por la materia oscura.
Varias de las 28 antenas parabólicas que componen el Very Large Array, ubicado en Socorro, Nuevo México, EE. UU. Crédito: CGP Gray, CC BY 2.0
Darling aún no ha detectado ninguna de esas distintas longitudes de onda en la luz que proviene del magnetar. Pero ha podido utilizar las observaciones para investigar la posible existencia de axiones en la gama más amplia de masas hasta el momento, nada mal para su primer intento. Añadió que estos estudios pueden complementar el trabajo que se realiza en los experimentos terrestres.
Konrad Lehnert estuvo de acuerdo. Es parte de un experimento dirigido por Universidad de Yale—Llamado, como era de esperar, HAYSTAC— que busca axiones utilizando campos magnéticos creados en laboratorios de todo el país.
Lehnert explicó que los estudios astrofísicos como el de Darling podrían actuar como una especie de explorador en la búsqueda de axiones, identificando señales interesantes a la luz de los magnetares, que los investigadores de laboratorio podrían luego profundizar con mucha mayor precisión.
“Estos experimentos bien controlados podrían determinar cuál de las señales astrofísicas podría tener un origen de materia oscura”, dijo Lehnert, miembro de JILA, un instituto de investigación conjunto entre CU Boulder y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST ).
Darling planea continuar su propia búsqueda, lo que significa mirar aún más de cerca al magnetar en el centro de nuestra galaxia: “Necesitamos llenar esos vacíos e ir aún más profundo”.
Referencias:
“New Limits on Axionic Dark Matter from the Magnetar PSR J1745-2900” por Jeremy Darling, 7 de septiembre de 2020, Las cartas del diario astrofísico.
DOI: 10.3847 / 2041-8213 / abb23f
“Búsqueda de materia oscura axiónica con el Magnetar PSR J1745-2900” por Jeremy Darling, 17 de septiembre de 2020, Cartas de revisión física.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.125.121103
