¿De qué está hecha la materia oscura? Es una de las preguntas más desconcertantes de la astronomía moderna. Sabemos que la materia oscura está ahí fuera ya que podemos ver su obvia influencia gravitacional en todo, desde las galaxias hasta la evolución de todo el universo, pero no sabemos qué es. Nuestra mejor suposición es que es una especie de partícula nueva y extraña a la que no le gusta hablar con la materia normal muy a menudo (de lo contrario, ya lo habríamos visto). Una posibilidad es que sea un tipo de partícula hipotética exótica conocida como axión, y un equipo de astrónomos está utilizando nada menos que agujeros negros para intentar vislumbrar esta extraña criatura cósmica nueva.

Agenda Axion

Seré honesto contigo, no sabemos si existen axiones. Fueron inventados para explicar un enigma de la física de altas energías. Existe un cierto tipo de simetría en la naturaleza en la que cambiar las cargas eléctricas de todas las partículas en una interacción aleatoria y ejecutar el proceso en el espejo produce exactamente el mismo resultado. Esto se conoce como simetría de carga y paridad, o simetría CP para abreviar.

Esta simetría se mantiene en todas partes en la naturaleza, excepto cuando no lo hace, como en el caso de la fuerza nuclear débil, que es capaz de violar esta simetría siempre que lo desee.

El enigma es que por todos los derechos, la fuerza nuclear fuerte debería violar esto, también. Hay términos en las matemáticas que obviamente rompen la simetría CP, y, sin embargo, no vemos ningún signo de ruptura de simetría con la fuerte fuerza nuclear en ninguno de nuestros experimentos. Entonces, algo debe estar sucediendo para restaurar esta simetría cuando debería romperse.

La respuesta, o al menos una respuesta potencial, es un nuevo tipo de partícula llamada axión. El axión restaura un cierto tipo de equilibrio en la fuerza (sí, soy consciente de la Guerra de las Galaxias referencia, aquí) para que se conserve la simetría CP y todos puedan seguir con su vida diaria. Por supuesto, los experimentos hasta la fecha no han revelado directamente la existencia del axión, y hay una gama de posibles masas y propiedades que podría tener el axión.

Dentro de ese rango de posibles masas y propiedades permisibles del axión, ocurre algo extraordinario. Si queremos llenar el universo con materia oscura, que la materia oscura tiene que tener ciertas propiedades. No puede interactuar con la materia normal muy a menudo y ni siquiera puede interactuar consigo mismo muy a menudo, cualquiera. También, tiene que haber mucho, y debe ser muy estable y duradero. Resulta que algunas de las posibles propiedades de los axiones hacen que esa partícula hipotética sea candidata para la materia oscura.

Los Axiones Oscuros

Si consideramos que el axión es materia oscura, generalmente puede explicar todas las observaciones habituales de la materia oscura. Puede explicar las curvas de rotación dentro de las galaxias. Puede explicar los movimientos de las galaxias dentro de los cúmulos de galaxias. Se puede fabricar en abundancia suficiente en el universo primitivo para adaptarse a las observaciones del fondo cósmico de microondas. Etcétera.

Y lo que es más, los axiones en los núcleos de las galaxias pueden agruparse lo suficientemente apretados para formar una sola bola masiva que a primera vista se parecería mucho a un agujero negro supermasivo. Sería pequeño no interactuaría con la luz, y sería increíblemente masivo. Si bien las observaciones recientes del Event Horizon Telescope nos dieron una imagen literal de un agujero negro gigante en otra galaxia, no necesariamente descarta que estos núcleos de axiones todavía estén al acecho en las profundidades de las galaxias en todo el universo. Y es con estos posibles núcleos de axiones que podríamos manejar sus propiedades.

Los agujeros negros son la clave

Aparte del Event Horizon Telescope, no tenemos observaciones directas de agujeros negros supermasivos. Solo podemos ver el material que se arremolina y hierve a su alrededor. Y de las propiedades de ese material, podemos estimar el tamaño y la masa de los agujeros negros. Con estas técnicas, Hemos descubierto una relación muy extraña a lo largo de las décadas:las galaxias más masivas albergan agujeros negros más masivos en sus centros. Esta relación es relativamente estrecha, y nos dice que los agujeros negros de alguna manera coevolucionan con sus galaxias anfitrionas.

Pero como dije no podemos observar los agujeros negros directamente. Por lo tanto, es posible que no sean agujeros negros en absoluto. Podrían ser núcleos de axiones escondidos en los centros de esas galaxias. Si este es el caso, entonces no es que los agujeros negros co-evolucionaron con sus galaxias anfitrionas, pero esos núcleos de axiones coevolucionaron con sus galaxias anfitrionas. Cuanto más grande es la galaxia cuanta más materia oscura de axiones pueda albergar, y cuanto más grande es el núcleo del axión en el centro.

Esto significa que podemos usar la relación entre el objeto oscuro central (ya sea un agujero negro o un núcleo de axiones) y la propia galaxia para restringir las propiedades de los axiones. Esto funciona, porque si empiezas a jugar con la masa de partículas axion, afecta la facilidad con que los axiones pueden agruparse para formar un núcleo, lo que cambia la relación con la galaxia anfitriona.

Un equipo de astrónomos empleó recientemente la relación entre los agujeros negros y las galaxias para hacer exactamente esto, y fueron capaces de poner algunos límites superiores en la masa de partículas de axiones, lo que ayudará a orientar los experimentos futuros y las búsquedas directas. ¿Es el axión responsable de la materia oscura en el universo? Ojalá, algún día podemos arrojar algo de luz sobre la situación.