Los astrónomos han propuesto un nuevo modelo para el material invisible que constituye la mayor parte de la materia del Universo. Han estudiado si una fracción de las partículas de materia oscura puede tener una pequeña carga eléctrica.

"Has oído hablar de coches eléctricos y libros electrónicos, pero ahora estamos hablando de materia oscura eléctrica, "dijo Julian Munoz de la Universidad de Harvard en Cambridge, Masa., quien dirigió el estudio que se ha publicado en la revista Naturaleza . "Sin embargo, esta carga eléctrica está en la más pequeña de las escalas ".

Muñoz y su colaborador, Avi Loeb del Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica (CfA) en Cambridge, Masa., explorar la posibilidad de que estas partículas cargadas de materia oscura interactúen con la materia normal por la fuerza electromagnética.

Su nuevo trabajo encaja con un resultado recientemente anunciado de la colaboración de Experiment to Detect the Global EoR (Epoch of Reionization) Signature (EDGES). En febrero, Los científicos de este proyecto dijeron que habían detectado la firma de radio de la primera generación de estrellas, y posible evidencia de interacción entre la materia oscura y la materia normal. Algunos astrónomos rápidamente desafiaron la afirmación de EDGES. Mientras tanto, Muñoz y Loeb ya estaban analizando la base teórica subyacente.

"Podemos contar una historia de física fundamental con nuestra investigación sin importar cómo interprete el resultado de EDGES, "dijo Loeb, quien es el presidente del departamento de astronomía de Harvard. "La naturaleza de la materia oscura es uno de los mayores misterios de la ciencia y necesitamos utilizar cualquier dato nuevo relacionado para abordarlo".

La historia comienza con las primeras estrellas, que emitía luz ultravioleta (UV). Según el escenario comúnmente aceptado, esta luz ultravioleta interactuó con átomos de hidrógeno fríos en el gas que se encuentra entre las estrellas y les permitió absorber la radiación cósmica de fondo de microondas (CMB), la radiación sobrante del Big Bang.

Esta absorción debería haber provocado una caída en la intensidad del CMB durante este período, que ocurre menos de 200 millones de años después del Big Bang. El equipo de EDGES afirmó haber detectado evidencia de esta absorción de luz CMB, aunque esto aún no ha sido verificado independientemente por otros científicos. Sin embargo, la temperatura del gas hidrógeno en los datos de EDGES es aproximadamente la mitad del valor esperado.

"Si EDGES ha detectado gas hidrógeno más frío de lo esperado durante este período, "¿Qué podría explicarlo?", dijo Muñoz. "Una posibilidad es que el hidrógeno fue enfriado por la materia oscura".

En el momento en que se absorbe la radiación CMB, los electrones o protones libres asociados con la materia ordinaria se habrían movido a sus velocidades más lentas posibles (ya que más tarde fueron calentados por los rayos X de los primeros agujeros negros). La dispersión de partículas cargadas es más eficaz a bajas velocidades. Por lo tanto, cualquier interacción entre la materia normal y la materia oscura durante este tiempo habría sido más fuerte si algunas de las partículas de materia oscura estuvieran cargadas. Esta interacción haría que el gas hidrógeno se enfriara porque la materia oscura está fría, potencialmente dejando una firma de observación como la reclamada por el proyecto EDGES.

"Estamos limitando la posibilidad de que las partículas de materia oscura lleven una pequeña carga eléctrica, igual a una millonésima parte de la de un electrón, a través de señales medibles del amanecer cósmico, ", dijo Loeb." Cargas tan diminutas son imposibles de observar incluso con los aceleradores de partículas más grandes ".

Solo pequeñas cantidades de materia oscura con carga eléctrica débil pueden explicar los datos de EDGES y evitar el desacuerdo con otras observaciones. Si la mayor parte de la materia oscura está cargada, entonces estas partículas se habrían desviado de las regiones cercanas al disco de nuestra propia galaxia, y se le impide volver a entrar. Esto entra en conflicto con las observaciones que muestran que grandes cantidades de materia oscura se encuentran cerca del disco de la Vía Láctea.

Los científicos saben por las observaciones del CMB que los protones y los electrones se combinaron en el Universo temprano para formar átomos neutros. Solo una pequeña fracción de estas partículas cargadas, alrededor de uno en unos pocos miles, permaneció libre. Muñoz y Loeb están considerando la posibilidad de que la materia oscura haya actuado de manera similar. Los datos de EDGES, y experimentos similares, podría ser la única forma de detectar las pocas partículas cargadas restantes, ya que la mayor parte de la materia oscura sería neutra.

"El espacio de parámetros viable para este escenario es bastante limitado, pero si lo confirman las observaciones futuras, por supuesto, estaríamos aprendiendo algo fundamental sobre la naturaleza de la materia oscura, uno de los mayores acertijos que tenemos en física hoy en día, ", dijo Cora Dvorkin de Harvard, que no participó en el nuevo estudio.

Lincoln Greenhill, también de CfA, está probando actualmente la afirmación de observación del equipo de EDGES. Dirige el proyecto Large Aperture Experiment to Detect the Dark Ages (LEDA), que utiliza la matriz de longitud de onda larga en Owen's Valley California y Socorro, Nuevo Mexico.

Un artículo que describe estos resultados aparece en el 31 de mayo de Número 2018 de la revista Naturaleza .