¿Podría una extraña señal de rayos X proveniente del cúmulo de galaxias de Perseo ser un indicio de la esquiva materia oscura en nuestro Universo?
Utilizando datos de archivo del Observatorio de rayos X Chandra y la misión XMM-Newton, los astrónomos encontraron una línea de emisión de rayos X no identificada, o un pico de intensidad a una longitud de onda de luz de rayos X muy específica. Este pico también se encontró en otros 73 cúmulos de galaxias en los datos de XMM-Newton.
Los científicos proponen que una posibilidad intrigante es que los rayos X se producen por la descomposición de los neutrinos estériles, un tipo hipotético de neutrinos que se ha propuesto como candidato para la materia oscura y se predice que interactuará con la materia normal solo por gravedad.
"Sabemos que la explicación de la materia oscura es una posibilidad remota, pero la recompensa sería enorme si tenemos razón", dijo Esra Bulbul, del Centro Harvard-Smithsoniano de Astrofísica (CfA) en Cambridge, Massachusetts, quien dirigió estudiar. "Así que vamos a seguir probando esta interpretación y veremos a dónde nos lleva".
Los astrónomos estiman que aproximadamente el 85 por ciento de toda la materia en el Universo es materia oscura, invisible incluso para los telescopios más potentes, pero detectable por su atracción gravitacional.
Los cúmulos de galaxias son buenos lugares para buscar materia oscura. Contienen cientos de galaxias, así como una gran cantidad de gas caliente que llena el espacio entre ellas. Pero las mediciones de la influencia gravitacional de los cúmulos de galaxias muestran que las galaxias y el gas representan solo una quinta parte de la masa total. Se cree que el resto es materia oscura.
Bulbul explicó en una publicación en el blog de Chandra que quería intentar cazar materia oscura "apilando" (superponiendo observaciones una encima de otra) un gran número de observaciones de cúmulos de galaxias para mejorar la sensibilidad de los datos provenientes de Chandra y XMM- Newton
"La gran ventaja de apilar observaciones no es solo una mayor relación señal / ruido (es decir, la cantidad de señal útil en comparación con el ruido de fondo), sino también la disminución de los efectos del detector y las características de fondo", escribió Bulbul. "La emisión de fondo de rayos X y el ruido instrumental son los principales obstáculos en el análisis de objetos débiles, como los cúmulos de galaxias".
Su objetivo principal al usar la técnica de apilamiento era refinar los límites superiores previos de las propiedades de las partículas de materia oscura y tal vez incluso encontrar una línea de emisión débil de metales previamente no detectados.
"Estas líneas de emisión débil de los metales se originan a partir de las transiciones atómicas conocidas que tienen lugar en las atmósferas calientes de los cúmulos de galaxias", dijo Bulbul. “Después de pasar un año reduciendo, examinando cuidadosamente y apilando las observaciones de rayos X XMM-Newton de 73 cúmulos de galaxias, noté una línea de emisión inesperada a aproximadamente 3.56 kiloelectron voltios (keV), una energía específica en el rango de rayos X. "
En teoría, un neutrino estéril se desintegra en un neutrino activo emitiendo un fotón de rayos X en el rango de keV, que puede detectarse mediante espectroscopía de rayos X. Bulbul dijo que los resultados de su equipo son consistentes con las expectativas teóricas y los límites superiores establecidos por las búsquedas de rayos X anteriores.
Bulbul y sus colegas trabajaron durante un año para confirmar la existencia de la línea en diferentes submuestras, pero dicen que todavía tienen mucho trabajo por hacer para confirmar que realmente han detectado neutrinos estériles.
"Nuestro siguiente paso es combinar datos de la misión Suzaku de Chandra y JAXA para una gran cantidad de cúmulos de galaxias para ver si encontramos la misma señal de rayos X", dijo el coautor Adam Foster, también de CfA. “Existen muchas ideas sobre lo que estos datos podrían representar. Es posible que no lo sepamos con certeza hasta que se lance Astro-H, con un nuevo tipo de detector de rayos X que podrá medir la línea con más precisión de la que es posible actualmente ”.
Astro-H es otra misión japonesa que se lanzará en 2015 con un instrumento de alta resolución que debería poder ver mejor los detalles en los espectros, y Bulbul dijo que esperan poder "distinguir sin ambigüedades una línea astrofísica de una señal de materia oscura". y cuéntanos cuál es realmente esta nueva emisión de rayos X ".
Dado que la línea de emisión es débil, esta detección está impulsando las capacidades de Chandra y XMM Newton en términos de sensibilidad. Además, el equipo dice que puede haber explicaciones distintas a los neutrinos estériles si esta línea de emisión de rayos X se considera real. Hay formas en que la materia normal en el cúmulo podría haber producido la línea, aunque el análisis del equipo sugirió que todo esto implicaría cambios poco probables en nuestra comprensión de las condiciones físicas en el cúmulo de galaxias o los detalles de la física atómica de los gases extremadamente calientes.
Los autores también señalan que incluso si la interpretación del neutrino estéril es correcta, su detección no implica necesariamente que toda la materia oscura esté compuesta de estas partículas.
El comunicado de prensa de Chandra compartió una interesante mirada detrás de escena sobre cómo se comparte y se discute la ciencia entre los científicos:
Debido al potencial tentador de estos resultados, después de enviarlos a The Astrophysical Journal, los autores publicaron una copia del documento en una base de datos de acceso público, arXiv. Este foro permite a los científicos examinar un artículo antes de su aceptación en una revista revisada por pares. El documento encendió una gran cantidad de actividad, con 55 nuevos documentos que ya habían citado este trabajo, principalmente sobre teorías que discutían la línea de emisión como posible evidencia de materia oscura. Algunos de los documentos exploran la interpretación de neutrinos estériles, pero otros sugieren que se han detectado diferentes tipos de partículas de materia oscura candidatas, como el axión.
Solo una semana después de Bulbul et al. colocó su documento en el arXiv, un grupo diferente, dirigido por Alexey Boyarsky de la Universidad de Leiden en los Países Bajos, colocó un documento en el arXiv que presenta evidencia de una línea de emisión con la misma energía en las observaciones XMM-Newton de la galaxia M31 y las afueras del cúmulo de Perseo. Esto fortalece la evidencia de que la línea de emisión es real y no un artefacto instrumental.
Otras lecturas:
Documento de Bulbul et al.
Comunicado de prensa de Chandra
Comunicado de prensa de la ESA
Blog de Chandra
