En un nuevo estudio, Los astrofísicos han encontrado un cierto resplandor de rayos gamma en el cielo, conocido como fondo de rayos gamma sin resolver (amarillo), para coincidir con regiones cósmicas que contienen mucha materia (rojo). La correlación podría conducir a una mejor comprensión de los objetos astrofísicos altamente energéticos y la materia oscura. El mapa de rayos gamma se creó con nueve años de datos de la nave espacial Fermi, y el mapa que muestra la densidad de la materia se basa en un año de datos del Dark Energy Survey (DES). Crédito:Daniel Gruen / SLAC / Stanford, Chihway Chang / Universidad de Chicago, Alex Drlica-Wagner / Fermilab
Los astrofísicos se han acercado un paso más a comprender el origen de un tenue resplandor de rayos gamma que cubre el cielo nocturno. Descubrieron que esta luz es más brillante en regiones que contienen mucha materia y más tenue donde la materia es más escasa, una correlación que podría ayudarlos a reducir las propiedades de los objetos astrofísicos exóticos y la materia oscura invisible.
El brillo, conocido como fondo de rayos gamma sin resolver, proviene de fuentes que son tan débiles y lejanas que los investigadores no pueden identificarlas individualmente. Todavía, el hecho de que los lugares donde se originan estos rayos gamma coincidan con el lugar donde se encuentra la masa en el universo distante podría ser una pieza clave del rompecabezas para identificar esas fuentes.
"El fondo es la suma de muchas cosas 'ahí afuera' que producen rayos gamma. Haber podido medir por primera vez su correlación con las lentes gravitacionales (diminutas distorsiones de imágenes de galaxias lejanas producidas por la distribución de materia) ayuda nosotros los desenredamos, ", dijo Simone Ammazzalorso de la Universidad de Turín y el Instituto Nacional de Física Nuclear (INFN) en Italia, quien codirigió el análisis.
El estudio utilizó un año de datos de Dark Energy Survey (DES), que toma imágenes ópticas del cielo, y nueve años de datos del telescopio espacial de rayos gamma Fermi, que observa rayos gamma cósmicos mientras orbita la Tierra.
"Lo que es realmente intrigante es que la correlación que medimos no coincide completamente con nuestras expectativas, ", dijo el miembro de Panofsky Daniel Gruen del Instituto Kavli de Astrofísica y Cosmología de Partículas (KIPAC) en el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC del Departamento de Energía y la Universidad de Stanford, quien dirigió el análisis para la colaboración DES. "Esto podría significar que necesitamos ajustar nuestros modelos existentes para objetos que emiten rayos gamma, o podría insinuar otras fuentes, como la materia oscura ".
El estudio fue aceptado hoy para su publicación en Cartas de revisión física .
Dos 'ojos' sensibles en el cielo
Radiación gamma, la forma de luz más enérgica, se produce en una amplia gama de fenómenos cósmicos, a menudo extremadamente violentos, como estrellas en explosión, densas estrellas de neutrones que giran a altas velocidades y potentes rayos de partículas que salen disparados de galaxias activas cuyos agujeros negros supermasivos centrales devoran materia.
Otra fuente potencial es la materia oscura invisible, que se cree que constituye el 85 por ciento de toda la materia del universo. Podría producir rayos gamma cuando las partículas de materia oscura se encuentran y se destruyen entre sí en el espacio.
El Telescopio de Área Grande (LAT) a bordo de la nave espacial Fermi es un "ojo" muy sensible a la radiación gamma, y sus datos proporcionan un mapa detallado de las fuentes de rayos gamma en el cielo.
Ilustración de un blazar, un objeto poderoso que produce haces de rayos gamma cuando el material se convierte en un enorme agujero negro. Los blazares son las fuentes extraterrestres más comunes de rayos gamma de alta energía detectados por el telescopio espacial de rayos gamma Fermi. Crédito:M. Weiss / CfA
Pero cuando los científicos restan todas las fuentes que ya conocen, su mapa está lejos de estar vacío; todavía contiene un fondo de rayos gamma cuyo brillo varía de una región a otra.
"Desafortunadamente, los rayos gamma no tienen una etiqueta que nos diga de dónde provienen, "Dijo Gruen." Es por eso que necesitamos información adicional para desentrañar su origen ".
Ahí es donde entra en juego DES. Con su cámara Dark Energy de 570 megapíxeles, montado en el Telescopio Víctor M. Blanco de 4 metros en el Observatorio Interamericano Cerro Tololo en Chile, toma imágenes de cientos de millones de galaxias. Sus formas exactas les dicen a los investigadores cómo la atracción gravitacional de la materia dobla la luz en el universo, un efecto que se muestra como pequeñas distorsiones en las imágenes de galaxias. conocido como lente gravitacional débil. Con base en estos datos, los investigadores del DES crean los mapas más detallados hasta ahora de la materia del cosmos.
En el nuevo estudio, los científicos superpusieron los mapas de Fermi y DES, que reveló que los dos no son independientes. El fondo de rayos gamma no resuelto es más intenso en regiones con más materia y menos intenso en regiones con menos materia.
"El resultado en sí no es sorprendente. Esperamos que haya más procesos de producción de rayos gamma en regiones que contienen más materia, y hemos estado prediciendo esta correlación por un tiempo, "dijo Nicolao Fornengo, uno de los supervisores de Ammazzalorso en Turín. "Pero ahora hemos logrado detectar esta correlación por primera vez, y podemos usarlo para comprender qué causa el fondo de rayos gamma ".
Posible pista de materia oscura
Una de las fuentes más probables del resplandor de los rayos gamma son los blazares muy distantes:galaxias activas con agujeros negros supermasivos en sus centros. Mientras los agujeros negros tragan la materia circundante, arrojan chorros de plasma y rayos gamma de alta velocidad que, si los chorros nos apuntan, son detectados por la nave espacial Fermi.
Blazars sería la suposición más simple, pero los nuevos datos sugieren que una simple población de blazares podría no ser suficiente para explicar la correlación observada entre los rayos gamma y la distribución de masa, dijeron los investigadores.
"De hecho, nuestros modelos de emisiones de blazares pueden explicar bastante bien la parte de baja energía de la correlación, pero vemos desviaciones para los rayos gamma de alta energía, ", Dijo Gruen." Esto puede significar varias cosas:podría indicar que necesitamos mejorar nuestros modelos de blazares o que los rayos gamma podrían provenir de otras fuentes ".
Una de estas otras fuentes podría ser la materia oscura. Una teoría líder predice que el material misterioso está hecho de partículas masivas que interactúan débilmente, o WIMP, que podrían aniquilarse entre sí en un destello de rayos gamma cuando chocan. Por lo tanto, los rayos gamma de ciertas regiones cósmicas ricas en materia podrían provenir de estas interacciones de partículas.
La idea de buscar firmas de rayos gamma de WIMP aniquiladores no es nueva. En los últimos años, Los científicos los han buscado en varios lugares que se cree que contienen mucha materia oscura, incluido el centro de la Vía Láctea y las galaxias compañeras de la Vía Láctea. Sin embargo, estas búsquedas aún no han producido señales identificables de materia oscura. Los nuevos resultados podrían usarse para búsquedas adicionales que prueben la hipótesis de WIMP.
Una fuente potencial de rayos gamma cósmicos podría ser la materia oscura. Una teoría líder predice que el material misterioso está hecho de partículas masivas que interactúan débilmente, o WIMP, que podrían aniquilarse entre sí en un destello de rayos gamma cuando chocan. Crédito:Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory
Planificación de los próximos pasos
Aunque la probabilidad de que la correlación medida sea solo un efecto aleatorio es solo de una entre mil, los investigadores necesitan más datos para un análisis concluyente.
"Estos resultados, conectando por primera vez nuestros mapas de rayos gamma y materia, son muy interesantes y tienen mucho potencial, pero por el momento la conexión sigue siendo relativamente débil, y hay que interpretar los datos con cuidado, "dijo la directora de KIPAC, Risa Wechsler, que no participó en el estudio.
Una de las principales limitaciones del análisis actual es la cantidad de datos de lentes disponibles, Gruen dijo. "Con datos de 40 millones de galaxias, DES ya ha llevado esto a un nuevo nivel, y es por eso que pudimos hacer el análisis en primer lugar. Pero necesitamos medidas aún mejores, " él dijo.
Con su próxima publicación de datos, DES proporcionará datos de lentes para 100 millones de galaxias, y el futuro Large Synoptic Survey Telescope (LSST) observará miles de millones de galaxias en una región mucho más grande del cielo.
"Nuestro estudio demuestra con datos reales que podemos usar la correlación entre las distribuciones de la materia y los rayos gamma para aprender más sobre las causas del fondo de rayos gamma, ", Dijo Fornengo." Con más datos DES, LSST en línea y otros proyectos como el telescopio espacial Euclid en el horizonte, podremos profundizar mucho más en nuestra comprensión de las posibles fuentes ".
Luego, los científicos podrían saber si parte de ese brillo de rayos gamma proviene de la autodestrucción de la materia oscura.
DES es un proyecto internacional con más de 400 científicos de 25 instituciones en 7 países, que se han unido para realizar la encuesta. Partes del proyecto fueron financiadas por la Oficina de Ciencias del DOE y la Fundación Nacional de Ciencias. El telescopio espacial de rayos gamma Fermi de la NASA es un observatorio espacial internacional y de múltiples agencias. El análisis utilizó datos de Fermi-LAT que fueron publicados públicamente por la colaboración internacional LAT.
