Astrofísicos liderados por la Universidad de Princeton han dado la primera pista para solucionar el misterio sobre la velocidad con que la materia oscura se acerca a la Tierra.
En un artículo publicado el 22 de enero de 2018 en la revista Physical Review Letters, apuntan a que la repuesta se encuentra entre algunas de las estrellas más antiguas de la galaxia.
«Esencialmente, estas viejas estrellas actúan como velocímetros visibles para la materia oscura invisible, midiendo su distribución de velocidad cerca de la Tierra«, dijo Mariangela Lisanti, profesora asistente de física en la Universidad de Princeton.
«Puedes pensar en las estrellas más antiguas como un trazador luminoso para la materia oscura. En sí misma nunca la veremos, porque no está emitiendo luz en ningún grado observable; es simplemente invisible para nosotros, por eso ha sido tan difícil decir algo concreto al respecto».
Para determinar qué estrellas se comportan como las partículas de materia oscura invisibles e indetectables, Lisanti y sus colegas recurrieron a una simulación por computadora, Eris, que usa supercomputadores para replicar la física de la Vía Láctea, incluida la materia oscura.
«Nuestra hipótesis era que hay un subconjunto de estrellas que, por alguna razón, coincidirá con los movimientos de la materia oscura», dijo Jonah Herzog-Arbeitman, un estudiante universitario y coautor del artículo. Su trabajo con Lisanti y sus colegas en el verano después de su primer año en Princeton se convirtió en uno de sus artículos más recientes y contribuyó a este artículo de la revista.
Herzog-Arbeitman y Lina Necib en el Instituto de Tecnología de California (Caltech), otro coautor del artículo, generaron numerosos diagramas de datos de Eris que compararon varias propiedades de la materia oscura con propiedades de diferentes subconjuntos de estrellas.
Su gran avance se produjo cuando compararon la velocidad de la materia oscura con la de las estrellas con diferentes «metalicidades» o relaciones de metales pesados con elementos más ligeros.
La curva que representa la materia oscura combina maravillosamente con las estrellas que tienen los metales menos pesados:
«Vimos todo alineado», dijo Lisanti.
«Fue uno de esos grandes ejemplos de una idea bastante razonable que funciona bastante bien», dijo Herzog-Arbeitman.
Los astrónomos han sabido por décadas que la metalicidad puede servir como un indicio para determinar la edad de una estrella, ya que los metales y otros elementos pesados se forman en las supernovas y las fusiones de estrellas de neutrones. Las pequeñas galaxias que se fusionaron con la Vía Láctea suelen tener comparativamente menos de estos elementos pesados.
En retrospectiva, la correlación entre la materia oscura y las estrellas más antiguas no debería sorprender, dijo Necib.
«La materia oscura y estas viejas estrellas tienen las mismas condiciones iniciales: comenzaron en el mismo lugar y tienen las mismas propiedades … así que, al final, tiene sentido que ambos actúen solo a través de la gravedad».
Desde 2009, los investigadores han estado tratando de observar la materia oscura directamente, colocando material muy denso –a menudo xenón– bajo tierra y esperando que la materia oscura que fluye por el planeta interactúe con él.
Lisanti comparó estos experimentos de «detección directa» con un juego de billar: «Cuando partícula de materia oscura se dispersa de un núcleo en un átomo, la colisión es similar a dos bolas de billar chocando entre sí. Si la partícula de materia oscura es mucho menos masiva que el núcleo, entonces el núcleo no se moverá mucho después de la colisión, lo que hace que sea realmente difícil notar que algo sucedió».
Es por eso que restringir la velocidad de la materia oscura es tan importante, explicó. Si las partículas de materia oscura son lentas y livianas, es posible que no tengan suficiente energía cinética para mover las «bolas de billar» nucleares, incluso si chocan directamente con una.
«Pero si la materia oscura entra en movimiento más rápido, tendrá más energía cinética. Eso puede aumentar la posibilidad de que en esa colisión, el retroceso del núcleo sea mayor, por lo que podrás verlo».
Originalmente, los científicos esperaban ver suficientes interacciones de partículas, suficientes bolas de billar en movimiento, para poder derivar la masa y la velocidad de las partículas de materia oscura. Pero, admitió la investigadora, «no hemos visto nada todavía».
Entonces, en lugar de usar las interacciones para determinar la velocidad, investigadores como Lisanti y sus colegas esperan cambiar el guión y usar la velocidad para explicar por qué los experimentos de detección directa aún no han detectado nada.
El fracaso, al menos hasta ahora, de los experimentos de detección directa lleva a dos preguntas, dijo Lisanti. «¿Cómo voy a descubrir cuáles son las velocidades de estas cosas?» y «¿No hemos visto nada porque hay algo diferente en la distribución de velocidad de lo que esperábamos?»
Tener una forma completamente independiente de calcular la velocidad de la materia oscura podría ayudar a arrojar luz sobre eso, dijo. Pero hasta ahora, es solo teórico. La astronomía del mundo real no ha alcanzado la riqueza de datos producidos por la simulación Eris, así que Lisanti y sus colegas todavía no saben lo rápido que se mueven las estrellas más antiguas de nuestra galaxia.
Afortunadamente, esa información está siendo ensamblada ahora por el telescopio Gaia de la Agencia Espacial Europea, que ha estado escaneando la Vía Láctea desde julio de 2014. Hasta ahora, se ha publicado información sobre un pequeño subconjunto de estrellas, pero el conjunto de datos completo incluirá información más datos sobre casi mil millones de estrellas.
«La gran cantidad de datos en el horizonte de las encuestas estelares actuales y venideras proporcionará una oportunidad única para comprender esta propiedad fundamental de la materia oscura».
