Una interpretación innovadora de los datos de rayos X de un cúmulo de galaxias podría ayudar a los científicos a cumplir una misión en la que han estado durante décadas:determinar la naturaleza de la materia oscura.

El hallazgo implica una nueva explicación para un conjunto de resultados realizados con el Observatorio de rayos X Chandra de la NASA, XMM-Newton y Hitomi de la ESA, un telescopio de rayos X de led japonés. Si se confirma con observaciones futuras, esto puede representar un gran paso adelante en la comprensión de la naturaleza de lo misterioso, Sustancia invisible que constituye aproximadamente el 85% de la materia del universo.

"Esperamos que este resultado sea muy importante o un fracaso total, ", dijo Joseph Conlon de la Universidad de Oxford, quien dirigió el nuevo estudio." No creo que haya un punto medio en el que se buscan respuestas a una de las preguntas más importantes de la ciencia ".

La historia de este trabajo comenzó en 2014 cuando un equipo de astrónomos dirigido por Esra Bulbul (Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica en Cambridge, Mass.) Encontró un pico de intensidad en una energía muy específica en las observaciones de Chandra y XMM-Newton del gas caliente en el cúmulo de galaxias Perseus.

Este pico o línea de emisión, tiene una energía de 3,5 kiloelectrones voltios (keV). La intensidad de la línea de emisión de 3,5 keV es muy difícil, si no imposible, de explicar en términos de características previamente observadas o predichas de objetos astronómicos. y por lo tanto se sugirió un origen de materia oscura. Bulbul y sus colegas también informaron de la existencia de la línea de 3,5 keV en un estudio de otros 73 cúmulos de galaxias utilizando XMM-Newton.

La trama de esta historia de materia oscura se hizo más espesa cuando solo una semana después de que el equipo de Bulbul envió su artículo a un grupo diferente, dirigido por Alexey Boyarsky de la Universidad de Leiden en los Países Bajos, reportó evidencia de una línea de emisión a 3.5 keV en observaciones XMM-Newton de la galaxia M31 y las afueras del cúmulo Perseus, confirmando el Bulbul et al. resultado.

Sin embargo, estos dos resultados fueron controvertidos, con otros astrónomos detectando más tarde la línea de 3,5 keV al observar otros objetos, y algunos no lo detectan.

El debate pareció resolverse en 2016 cuando Hitomi diseñó especialmente para observar características detalladas como la emisión de líneas en los espectros de rayos X de fuentes cósmicas, no pudo detectar la línea de 3,5 keV en el clúster de Perseus.

"Uno podría pensar que cuando Hitomi no vio la línea de 3.5 keV, simplemente hubiéramos tirado la toalla para esta línea de investigación, "dijo la coautora Francesca Day, también de Oxford. "De lo contrario, aquí es donde, como en cualquier buena historia, ocurrió un giro interesante en la trama ".

Conlon y sus colegas notaron que el telescopio Hitomi tenía imágenes mucho más borrosas que Chandra, por lo que sus datos sobre el cúmulo de Perseus en realidad están compuestos por una mezcla de señales de rayos X de dos fuentes:un componente difuso de gas caliente que envuelve la gran galaxia en el centro del cúmulo y la emisión de rayos X desde cerca del agujero negro supermasivo. en esta galaxia. La visión más nítida de Chandra puede separar la contribución de las dos regiones. Aprovechando esto, Bulbul y col. aisló la señal de rayos X del gas caliente eliminando las fuentes puntuales de su análisis, incluyendo rayos X de material cerca del agujero negro supermasivo.

Para probar si esta diferencia importaba, el equipo de Oxford volvió a analizar los datos de Chandra de cerca del agujero negro en el centro del cúmulo de Perseus tomados en 2009. Encontraron algo sorprendente:evidencia de un déficit en lugar de un excedente de rayos X a 3,5 keV. Esto sugiere que algo en Perseo está absorbiendo rayos X con esta energía exacta. Cuando los investigadores simularon el espectro de Hitomi agregando esta línea de absorción a la línea de emisión del gas caliente vista con Chandra y XMM-Newton, no encontraron evidencia en el espectro sumado de absorción o emisión de rayos X a 3.5 keV, consistente con las observaciones de Hitomi.

El desafío es explicar este comportamiento:detectar la absorción de luz de rayos X cuando se observa el agujero negro y la emisión de luz de rayos X con la misma energía cuando se mira el gas caliente en ángulos mayores lejos del agujero negro.

De hecho, tal comportamiento es bien conocido por los astrónomos que estudian estrellas y nubes de gas con telescopios ópticos. La luz de una estrella rodeada por una nube de gas a menudo muestra líneas de absorción producidas cuando los átomos de la nube de gas absorben la luz de una estrella de una energía específica. La absorción impulsa a los átomos de un estado de baja a una alta energía. El átomo vuelve rápidamente al estado de baja energía con la emisión de luz de una energía específica, pero la luz se vuelve a emitir en todas direcciones, produciendo una pérdida neta de luz en la energía específica, una línea de absorción, en el espectro observado de la estrella. A diferencia de, una observación de una nube en una dirección alejada de la estrella detectaría solo la reemitida, o luz fluorescente a una energía específica, que aparecería como una línea de emisión.

El equipo de Oxford sugiere en su informe que las partículas de materia oscura pueden ser como átomos al tener dos estados de energía separados por 3,5 keV. Si es así, podría ser posible observar una línea de absorción a 3,5 keV cuando se observa en ángulos cercanos a la dirección del agujero negro, y una línea de emisión cuando se mira el gas caliente del cúmulo desde grandes ángulos desde el agujero negro.

"Esta no es una imagen sencilla de pintar, pero es posible que hayamos encontrado una manera de explicar las inusuales señales de rayos X que provienen de Perseo y descubrir una pista sobre lo que realmente es la materia oscura. "dijo el coautor Nicholas Jennings, también de Oxford.

Para escribir el próximo capítulo de esta historia, Los astrónomos necesitarán más observaciones del cúmulo de Perseo y otros similares. Por ejemplo, se necesitan más datos para confirmar la realidad de la caída y para excluir una posibilidad más mundana, a saber, que tenemos una combinación de un efecto instrumental inesperado y una caída estadísticamente improbable de los rayos X a una energía de 3,5 keV. Chandra, XMM-Newton y las futuras misiones de rayos X continuarán observando cúmulos para abordar el misterio de la materia oscura.

Un artículo que describe estos resultados se publicó en Revisión física D el 19 de diciembre 2017 y una preimpresión está disponible en línea.