Podríamos estar más cerca de comprender el misterio detrás de qué es la materia oscura, tras una nueva investigación realizada por físicos del King's College de Londres.

Teorizados por primera vez en 1977, los axiones son una partícula hipotética de masa ligera que se ha sugerido como posible contendiente para la materia oscura, debido al calor que desprenden. Sin embargo, debido a la variedad de tamaños y masas que podrían tener, su identificación concluyente ha sido difícil.

En una serie de artículos en Physical Review D , Liina Chung-Jukko, los profesores Malcolm Fairbairn, Eugene Lim, el Dr. David Marsh y sus colaboradores han sugerido un nuevo enfoque para localizar esta "partícula maravillosa" que podría explicar tanto la energía como la materia oscuras.

El profesor Malcolm Fairbairn explica:"Los axiones son uno de los principales candidatos para la materia oscura. Descubrimos que tienen la capacidad de calentar el universo al igual que las supernovas y las estrellas ordinarias después de unirse en densos grupos. Armados con ese conocimiento, sabemos con mucha precisión más certeza sobre dónde apuntar nuestros instrumentos en el campo para encontrarlos."

La teoría de la relatividad general de Einstein sugiere que alrededor del 85% del material del universo es materia oscura, una forma desconocida de materia que no hemos podido observar ni sondear. Los efectos gravitacionales, observados en escenarios como la formación de galaxias, no tienen sentido dentro del modelo de Einstein a menos que haya una gran cantidad de materia que no podemos ver y que no interactúa con la luz o los campos electromagnéticos.

Los axiones son candidatos para esta hipotética forma de materia. Estas partículas de baja masa deben estar presentes en cantidades muy grandes para explicar la masa faltante en las galaxias. Como estos axiones deben existir en grandes cantidades, también deben estar densamente empaquetados en áreas específicas, lo que significa que quedan sujetos a las leyes de la mecánica cuántica.

Esto significaría que los axiones individuales comenzarían a actuar en concierto. Eso significaría que podría haber grandes agrupaciones de materia oscura axónica en el centro de las galaxias, también conocidas como "estrellas axónicas".

Estas estrellas axiones pueden volverse inestables más allá de cierto umbral de masa, explotando en radiación electromagnética y fotones (partículas de luz), como lo muestra con más detalle Liina Chung-Jukko. Los científicos sugieren que estas explosiones tienen el potencial de haber calentado el gas intergaláctico que existe entre las galaxias en el tiempo que separa el big bang y la formación de las primeras estrellas, entre 50 y 500 millones de años después del inicio del universo.

Esto cambiaría la forma en que se vería la radiación cósmica de fondo (CMB), la radiación electromagnética que llena todo el espacio, durante este período, que los científicos pueden observar actualmente a través de ondas de radio utilizando un método llamado medición de 21 cm.

Al buscar señales de dónde explotaron las estrellas axión en el universo primitivo o actual de esta manera, los científicos pueden utilizar estos métodos para rastrear el axión hasta ahora no observado y descubrir la fuente de parte, si no de toda, la materia oscura. /P>

Malcolm Fairbairn dijo:"Las estrellas con axiones coherentes, incluso aquellas que son relativamente compactas, tienen el potencial de estallar en un halo de electromagnetismo y luz. Conocer el tipo de estructuras que la materia oscura axión puede formar y su impacto en el gas intergaláctico circundante puede allanar nuevos caminos". formas para su detección.

"Ser capaz de encontrar el axión probablemente nos ayudaría a resolver una de las preguntas más importantes de la ciencia, que lleva más de un siglo en desarrollo, y ayudaría a dejar al descubierto la historia del universo primitivo".

Al calcular el número total de estrellas con axiones en el universo y, por extensión, su potencial explosivo latente en el gas intergaláctico, el equipo también ha conjeturado el tamaño de la señal que las estrellas con axiones emitirían en el CMB. Esto permitiría que las mediciones de 21 cm categoricen con precisión qué se origina y qué no se origina a partir de axiones, lo que ayudaría en la búsqueda.

El trabajo de King se une a un creciente coro entre la comunidad científica que busca el axión como el principal candidato para la materia oscura. David Marsh dijo:"La medición de 21 cm generalmente se considera el futuro de la cosmología, y el papel que desempeña en la búsqueda de El axión es una gran razón para esto. Actualmente se está construyendo una enorme proliferación de búsquedas de axiones, incluidos proyectos como Dark Matter Radio. Es un momento muy, muy emocionante para ser astrofísico en este momento."

Más información: Miguel Escudero et al, Explosiones de estrellas de axiones:una nueva fuente para la detección indirecta de axiones, Physical Review D (2024). DOI:10.1103/PhysRevD.109.043018

Xiaolong Du et al, Tasas de fusión de Soliton y desintegración mejorada de la materia oscura de axiones, Physical Review D (2024). DOI:10.1103/PhysRevD.109.043019

Información de la revista: Revisión física D

Proporcionado por King's College London