Un exceso de rayos gamma provenientes del centro de la Vía Láctea probablemente se deba a una población que gira rápidamente, estrellas de neutrones muy densas y altamente magnetizadas, llamados púlsares. Crédito:NASA / CXC / Universidad de Massachusetts / D. Wang y col .; Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory
Un misterioso resplandor de rayos gamma en el centro de la Vía Láctea probablemente sea causado por púlsares:el increíblemente denso, núcleos girando rápidamente de estrellas antiguas colapsadas que eran hasta 30 veces más masivas que el sol. Esa es la conclusión de un nuevo análisis realizado por un equipo internacional de astrofísicos, incluidos investigadores del Laboratorio Nacional Acelerador SLAC del Departamento de Energía. Los hallazgos arrojan dudas sobre las interpretaciones anteriores de la señal como un signo potencial de materia oscura, una forma de materia que representa el 85 por ciento de toda la materia en el universo, pero que hasta ahora ha eludido la detección.
"Nuestro estudio muestra que no necesitamos materia oscura para comprender las emisiones de rayos gamma de nuestra galaxia, "dijo Mattia Di Mauro del Instituto Kavli de Astrofísica y Cosmología de Partículas (KIPAC), un instituto conjunto de la Universidad de Stanford y SLAC. "En lugar de, hemos identificado una población de púlsares en la región alrededor del centro galáctico, que arroja nueva luz sobre la historia de la formación de la Vía Láctea ".
Di Mauro lideró el análisis para la Colaboración Fermi LAT, un equipo internacional de investigadores que observó el brillo con el Telescopio de Área Grande (LAT) en el Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi de la NASA, que ha estado orbitando la Tierra desde 2008. El LAT - un "ojo" sensible para los rayos gamma, la forma de luz más enérgica - fue concebida y ensamblada en SLAC, que también alberga su centro de operaciones.
Los hallazgos de la colaboración, sometido a la Diario astrofísico para publicación, están disponibles como preimpresión.
Un resplandor misterioso
La materia oscura es uno de los mayores misterios de la física moderna. Los investigadores saben que la materia oscura existe porque desvía la luz de las galaxias distantes y afecta la forma en que giran las galaxias. Pero no saben de qué está hecha la sustancia. La mayoría de los científicos creen que está compuesto por partículas aún por descubrir que casi nunca interactúan con la materia regular más que a través de la gravedad. lo que dificulta su detección.
Cuando los astrofísicos modelan las fuentes de rayos gamma de la Vía Láctea según su leal saber y entender, quedan con un exceso de brillo en el centro galáctico. Algunos investigadores han argumentado que la señal podría insinuar hipotéticas partículas de materia oscura. Sin embargo, también podría tener otros orígenes cósmicos. Crédito:NASA; A. Mellinger / Universidad Central de Michigan; T. Linden / Universidad de Chicago
Una forma en que los instrumentos científicos pueden vislumbrar partículas de materia oscura es cuando las partículas se desintegran o chocan y se destruyen entre sí. "Las teorías ampliamente estudiadas predicen que estos procesos producirían rayos gamma, "dijo Seth Digel, jefe del grupo Fermi de KIPAC. "Buscamos esta radiación con LAT en regiones del universo ricas en materia oscura, como el centro de nuestra galaxia ".
De hecho, estudios previos han demostrado que hay más rayos gamma provenientes del centro galáctico de lo esperado, alimentando algunos artículos científicos e informes de los medios de comunicación que sugieren que la señal podría insinuar partículas de materia oscura buscadas durante mucho tiempo. Sin embargo, Los rayos gamma se producen en una serie de otros procesos cósmicos, lo cual debe descartarse antes de poder sacar cualquier conclusión sobre la materia oscura. Esto es particularmente desafiante porque el centro galáctico es extremadamente complejo, y los astrofísicos no conocen todos los detalles de lo que está sucediendo en esa región.
La mayoría de los rayos gamma de la Vía Láctea se originan en el gas entre las estrellas iluminado por rayos cósmicos:partículas cargadas producidas en poderosas explosiones estelares. llamadas supernovas. Esto crea un brillo difuso de rayos gamma que se extiende por toda la galaxia. Los rayos gamma también son producidos por remanentes de supernova, púlsares, estrellas colapsadas que emiten "haces" de rayos gamma como faros cósmicos, y objetos más exóticos que aparecen como puntos de luz.
"Dos estudios recientes realizados por equipos en los Estados Unidos y los Países Bajos han demostrado que el exceso de rayos gamma en el centro galáctico está moteado, no es suave como esperaríamos para una señal de materia oscura, "dijo Eric Charles de KIPAC, que contribuyó al nuevo análisis. "Esos resultados sugieren que las manchas pueden deberse a fuentes puntuales que no podemos ver como fuentes individuales con el LAT porque la densidad de las fuentes de rayos gamma es muy alta y el brillo difuso es más brillante en el centro galáctico".
Restos de estrellas antiguas
El nuevo estudio lleva los análisis anteriores al siguiente nivel, demostrando que la señal de rayos gamma moteada es consistente con los púlsares.
Un exceso de rayos gamma provenientes del centro de la Vía Láctea ha alimentado las esperanzas de que la señal pueda provenir de hipotéticas partículas de materia oscura que chocan y se destruyen entre sí (izquierda). La radiación también podría ser producida por púlsares, estrellas de neutrones que giran rápidamente con fuertes campos magnéticos (derecha). Crédito:Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory
"Teniendo en cuenta que alrededor del 70 por ciento de todas las fuentes puntuales de la Vía Láctea son púlsares, eran los candidatos más probables, Dijo Di Mauro. Pero usamos una de sus propiedades físicas para llegar a nuestra conclusión. Los púlsares tienen espectros muy distintos, es decir, sus emisiones varían de forma específica con la energía de los rayos gamma que emiten. Usando la forma de estos espectros, pudimos modelar correctamente el resplandor del centro galáctico con una población de aproximadamente 1, 000 púlsares y sin introducir procesos que involucren partículas de materia oscura ".
El equipo ahora está planeando estudios de seguimiento con radiotelescopios para determinar si las fuentes identificadas están emitiendo su luz como una serie de breves pulsos de luz, la marca registrada que da a los púlsares su nombre.
Los descubrimientos en el halo de estrellas alrededor del centro de la galaxia, la parte más antigua de la Vía Láctea, también revelan detalles sobre la evolución de nuestro hogar galáctico. al igual que los restos antiguos enseñan a los arqueólogos sobre la historia de la humanidad.
"Los púlsares aislados tienen una vida útil típica de 10 millones de años, que es mucho más corta que la edad de las estrellas más antiguas cerca del centro galáctico, "Dijo Charles." El hecho de que todavía podamos ver rayos gamma de la población de púlsar identificada hoy sugiere que los púlsares están en sistemas binarios con estrellas compañeras, de los que extraen energía. Esto prolonga enormemente la vida de los púlsares ".
La materia oscura sigue siendo esquiva
Los nuevos resultados se suman a otros datos que desafían la interpretación del exceso de rayos gamma como una señal de materia oscura.
Distribución simulada de fuentes de rayos gamma en la región interior de 40 grados por 40 grados de la Vía Láctea con el centro galáctico en el medio. El mapa muestra púlsares en el disco galáctico (estrellas rojas) y en la región central de la galaxia (círculos negros). Crédito:Colaboración NASA / DOE / Fermi LAT
"Si la señal se debiera a la materia oscura, esperaríamos verlo también en los centros de otras galaxias, "Dijo Digel." La señal debería ser particularmente clara en las galaxias enanas que orbitan la Vía Láctea. Estas galaxias tienen muy pocas estrellas, normalmente no tienen púlsares y se mantienen unidos porque tienen mucha materia oscura. Sin embargo, no vemos ninguna emisión significativa de rayos gamma de ellos ".
Los investigadores creen que un fuerte resplandor de rayos gamma recientemente descubierto en el centro de la galaxia de Andrómeda, la galaxia principal más cercana a la Vía Láctea, también puede ser causado por púlsares en lugar de materia oscura.
Pero es posible que no se haya pronunciado la última palabra. Aunque el equipo de Fermi-LAT estudió una gran área de 40 grados por 40 grados alrededor del centro galáctico de la Vía Láctea (el diámetro de la luna llena es de aproximadamente medio grado), la densidad extremadamente alta de fuentes en los cuatro grados más internos hace que sea muy difícil ver las individuales y descartar una suave, distribución de rayos gamma similar a la materia oscura, dejando un espacio limitado para que se oculten las señales de materia oscura.
Este trabajo fue financiado por la NASA y la Oficina de Ciencias del DOE, así como agencias e institutos en Francia, Italia, Japón y Suecia.
