Los físicos del MIT están reavivando la posibilidad, que previamente habían apagado, que un estallido brillante de rayos gamma en el centro de nuestra galaxia puede ser el resultado de la materia oscura, después de todo.

Durante años, Los físicos han sabido de un misterioso excedente de energía en el centro de la Vía Láctea, en forma de rayos gamma, las ondas más energéticas del espectro electromagnético. Estos rayos son típicamente producidos por los más calientes, los objetos más extremos del universo, como supernovas y púlsares.

Los rayos gamma se encuentran a través del disco de la Vía Láctea, y en su mayor parte, los físicos comprenden sus fuentes. Pero hay un resplandor de rayos gamma en el centro de la Vía Láctea, conocido como el exceso del centro galáctico, o GCE, con propiedades que son difíciles de explicar para los físicos dado lo que saben sobre la distribución de estrellas y gas en la galaxia.

Hay dos posibilidades principales de lo que puede estar produciendo este exceso:una población de alta energía, estrellas de neutrones que giran rápidamente conocidas como púlsares, o, más tentadoramente, una nube concentrada de materia oscura, chocando consigo mismo para producir un exceso de rayos gamma.

En 2015, un equipo de MIT-Princeton University, incluido el profesor asociado de física Tracy Slatyer y los posdoctorados Benjamin Safdi y Wei Xue, descendió a favor de los púlsares. Los investigadores habían analizado las observaciones del centro galáctico tomadas por el telescopio espacial de rayos gamma Fermi, utilizando un "modelo de fondo" que desarrollaron para describir todas las interacciones de partículas en la galaxia que podrían producir rayos gamma. Concluyeron, bastante definitivamente, que el GCE probablemente fue el resultado de púlsares, y no materia oscura.

Sin embargo, en obra nueva, dirigida por Rebecca Leane, postdoctoral del MIT, Slatyer ha reevaluado desde entonces esta afirmación. Al tratar de comprender mejor el método analítico de 2015, Slatyer y Leane descubrieron que, de hecho, el modelo que utilizaban podía ser "engañado" para producir un resultado incorrecto. Específicamente, los investigadores ejecutaron el modelo en observaciones reales de Fermi, como hizo el equipo de MIT-Princeton en 2015, pero esta vez agregaron una falsa señal adicional de materia oscura. Descubrieron que el modelo no pudo captar esta señal falsa, e incluso cuando subieron la señal, el modelo continuó asumiendo que los púlsares estaban en el centro del exceso.

Los resultados, publicado hoy en la revista Cartas de revisión física , destacar un "efecto mismodeling" en el análisis de 2015 y reabrir lo que muchos habían pensado que era un caso cerrado.

"Es emocionante porque pensamos que habíamos eliminado la posibilidad de que se tratara de materia oscura, "Dice Slatyer." Pero ahora hay una laguna, un error sistemático en la afirmación que hicimos. Vuelve a abrir la puerta para que la señal provenga de la materia oscura ".

El centro de la Vía Láctea:¿granulado o liso?

Mientras que la Vía Láctea se parece más o menos a un disco plano en el espacio, el exceso de rayos gamma en su centro ocupa una región más esférica, extendiéndose alrededor de 5, 000 años luz en todas direcciones desde el centro galáctico.

En su estudio de 2015, Slatyer y sus colegas desarrollaron un método para determinar si el perfil de esta región esférica es suave o "granulado". Ellos razonaron que, si los púlsares son la fuente del exceso de rayos gamma, y estos púlsares son relativamente brillantes, los rayos gamma que emiten deben habitar una región esférica que, cuando se visualiza, parece granulado, con espacios oscuros entre los puntos brillantes donde se sientan los púlsares.

Si, sin embargo, la materia oscura es la fuente del exceso de rayos gamma, la región esférica debe verse suave:"Cada línea de visión hacia el centro galáctico probablemente tiene partículas de materia oscura, por lo que no debería ver huecos ni puntos fríos en la señal, "Slatyer explica.

Ella y su equipo utilizaron un modelo de fondo de toda la materia y el gas de la galaxia, y todas las interacciones de partículas que podrían ocurrir para producir rayos gamma. Consideraron modelos para la región esférica de la CME que eran granulosos por un lado o lisos por el otro. e ideó un método estadístico para diferenciar entre ellos. Luego alimentaron al modelo observaciones reales de la región esférica, tomada por el telescopio Fermi, y miró para ver si estas observaciones encajaban más con un perfil suave o granulado.

"Vimos que era 100% granulado, y entonces dijimos, 'Oh, la materia oscura no puede hacer eso, entonces debe ser otra cosa, '”, Recuerda Slatyer.“ Mi esperanza era que este fuera sólo el primero de muchos estudios de la región del centro galáctico utilizando técnicas similares. Pero para 2018, las principales comprobaciones del método seguían siendo las que habíamos realizado en 2015, lo que me puso bastante nervioso de que podríamos habernos perdido algo ".

Plantar una falsificación

Después de llegar al MIT en 2017, Leane se interesó en analizar datos de rayos gamma. Slatyer sugirió que intentaran probar la solidez del método estadístico utilizado en 2015, para desarrollar una comprensión más profunda del resultado. Los dos investigadores hicieron la pregunta difícil:¿En qué circunstancias se estropearía su método? Si el método resistió el interrogatorio, podían confiar en el resultado original de 2015. Si, sin embargo, descubrieron escenarios en los que el método colapsó, sugeriría que algo andaba mal con su enfoque, y quizás la materia oscura todavía podría estar en el centro del exceso de rayos gamma.

Leane y Slatyer repitieron el enfoque del equipo MIT-Princeton de 2015, pero en lugar de alimentar los datos de Fermi del modelo, los investigadores esencialmente dibujaron un mapa falso del cielo, incluyendo una señal de materia oscura, y púlsares que no estaban asociados con el exceso de rayos gamma. Introdujeron este mapa en el modelo y descubrieron que, a pesar de que hay una señal de materia oscura dentro de la región esférica, el modelo concluyó que esta región probablemente era granulada y, por lo tanto, estaba dominada por púlsares. Esta fue la primera pista, Slatyer dice:que su método "no era infalible".

En una conferencia para presentar sus resultados hasta el momento, Leane entretuvo una pregunta de un colega:¿Qué pasa si agrega una señal falsa de materia oscura que se combina con observaciones reales? en lugar de con un mapa de fondo falso?

El equipo aceptó el desafío, alimentar el modelo con datos del telescopio Fermi, junto con una señal falsa de materia oscura. A pesar de la planta deliberada, su análisis estadístico nuevamente perdió la señal de materia oscura y arrojó un granulado, imagen similar a un púlsar. Incluso cuando aumentaron la señal de materia oscura a cuatro veces el tamaño del exceso real de rayos gamma, su método no pudo verlo.

"En esa etapa, Estaba muy emocionado porque sabía que las implicaciones eran muy grandes, significaba que la explicación de la materia oscura estaba de vuelta sobre la mesa, "Dice Leane.

Ella y Slatyer están trabajando para comprender mejor el sesgo en su enfoque, y espero eliminar este sesgo en el futuro.

"Si es realmente materia oscura, esta sería la primera evidencia de que la materia oscura interactúa con la materia visible a través de fuerzas distintas de la gravedad, "Dice Leane." La naturaleza de la materia oscura es una de las mayores preguntas abiertas en la física en este momento. Identificar esta señal como materia oscura puede permitirnos finalmente exponer la identidad fundamental de la materia oscura. No importa cuál resulte ser el exceso, aprenderemos algo nuevo sobre el universo ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.