Décadas después de que quedó claro que el Universo visible está construido sobre una estructura de materia oscura, todavía no sabemos qué es realmente la materia oscura. A gran escala, una variedad de evidencia apunta a lo que se llama WIMP: partículas masivas que interactúan débilmente. Pero hay una variedad de detalles que son difíciles de explicar usando WIMP, y décadas de búsqueda de las partículas no han arrojado nada, lo que deja a la gente abierta a la idea de que algo más que WIMP comprende la materia oscura.

Uno de los muchos candidatos es algo llamado axión, una partícula portadora de fuerza que se ha propuesto para resolver un problema en un área no relacionada de la física. Son mucho más livianos que los WIMP, pero tienen otras propiedades que son consistentes con la materia oscura, que ha mantenido un bajo interés en ellos. Ahora, un nuevo artículo argumenta que hay características en una lente gravitacional (en gran parte el producto de la materia oscura) que se explican mejor por las propiedades similares a las de los axiones.

¿Partícula u onda?

Entonces, ¿qué es un axión? En el nivel más simple, es una partícula extremadamente ligera que no gira y que actúa como portador de fuerza. Se propusieron originalmente para garantizar que la cromodinámica cuántica, que describe el comportamiento de la fuerza fuerte que mantiene unidos a los protones y los neutrones, no rompa la conservación de la paridad de carga. Se ha realizado suficiente trabajo para garantizar que los axiones sean compatibles con otros marcos teóricos, y se han realizado algunas investigaciones para intentar detectarlos. Pero los axiones han estado languideciendo como una de varias posibles soluciones a un problema que aún no hemos descubierto cómo resolver.

Sin embargo, han atraído cierta atención como posibles soluciones a la materia oscura. Pero el comportamiento de la materia oscura se explica mejor por una partícula pesada, específicamente una partícula masiva de interacción débil. Se esperaba que los axiones fueran más ligeros y pudieran ser tan ligeros como el neutrino casi sin masa. Las búsquedas de Axion tendieron a descartar también muchas de las masas más pesadas, lo que hizo que el problema fuera aún más pronunciado.

Pero los axiones pueden estar regresando, o al menos aguantando mientras los WIMP caen de bruces. Se construyeron varios detectores para tratar de capturar indicaciones de las interacciones débiles de los WIMP, y no funcionaron. Si los WIMP fueran partículas del modelo estándar, podríamos haber inferido su presencia en función de la falta de masa en los colisionadores de partículas. No se ha presentado ninguna prueba de ello. Esto hace que la gente vuelva a examinar si los WIMP son la mejor solución para la materia oscura.

En escalas cosmológicas, los WIMP continúan ajustando los datos extremadamente bien. Pero cuando llegas a los niveles de galaxias individuales, hay algunas rarezas que no funcionan tan bien a menos que el halo de materia oscura que rodea una galaxia tenga una estructura complicada. Cosas similares parecen ser ciertas cuando intentas mapear la materia oscura de galaxias individuales en función de su capacidad para crear lentes gravitacionales que distorsionan el espacio para magnificar y distorsionar los objetos de fondo.

El nuevo trabajo intenta relacionar estas posibles rarezas con una diferencia entre las propiedades de WIMPS y los axiones. Como su nombre lo indica, se supone que los WIMP se comportan como partículas discretas, interactuando casi en su totalidad a través de la gravedad. Por otro lado, los axiones deben interactuar entre sí a través de la interferencia cuántica, creando patrones similares a ondas en su frecuencia en toda la galaxia. Entonces, mientras que la frecuencia de los WIMP debería disminuir suavemente con la distancia desde el núcleo de una galaxia, los axiones deberían formar una onda estacionaria (técnicamente, un solitón) que aumenta en frecuencia cerca del núcleo galáctico. Más allá, los patrones de interferencia complejos deberían crear áreas donde esencialmente no hay axiones y otras áreas donde están presentes al doble de la densidad promedio.

difícil de detectar

Con algunas posibles excepciones, la materia oscura constituye la mayor parte de la masa de una galaxia. Dado eso, estos patrones de interferencia deberían causar que la atracción gravitacional de las diferentes áreas de la galaxia sea desigual. Si las diferencias entre las regiones son lo suficientemente grandes, pueden aparecer como pequeñas desviaciones en el comportamiento esperado de las lentes gravitacionales. Entonces, los objetos detrás de una galaxia aún deberían aparecer como imágenes de lentes; simplemente podrían no estar en la forma que esperábamos o exactamente en la ubicación que imaginamos.

El modelado indica que estas desviaciones son lo suficientemente pequeñas como para que ni siquiera el telescopio espacial Hubble las detecte. Pero podría ser posible detectarlos en longitudes de onda de radio combinando los datos de radiotelescopios muy separados en lo que es esencialmente un solo telescopio gigante. (Este enfoque permitió que el Event Horizon Telescope creara una imagen de un agujero negro).

Y, en al menos un caso, tenemos tales datos. HS 0810+2554 es una enorme galaxia elíptica que se encuentra entre nosotros y un agujero negro activo en el centro de otra galaxia. La lente gravitacional creada por la galaxia en primer plano crea cuatro imágenes de la galaxia activa, cada una con un núcleo galáctico brillante y dos grandes chorros de material que se extienden desde él. Es posible comparar la ubicación y la distorsión de estas cuatro imágenes con lo que esperaríamos en función de la presencia de un halo de materia oscura típico en la galaxia de primer plano.

Es algo relativamente simple de hacer con los WIMP, ya que solo hay un patrón que esperaríamos: la caída gradual en los niveles de materia oscura a medida que te alejas del núcleo galáctico. Las predicciones de lentes basadas en esta distribución hacen un mal trabajo al igualar los datos del mundo real de dónde aparecen las imágenes con lentes.

El desafío es hacer el mismo análisis basado en patrones de interferencia de axones, que son caóticos: ejecuta el modelo dos veces con diferentes condiciones iniciales y obtendrás un patrón de interferencia diferente. Entonces, las posibilidades de obtener lo que realmente está presente en la galaxia del mundo real haciendo las lentes son escasas. En cambio, el equipo de investigación ejecutó 75 modelos diferentes con condiciones iniciales elegidas al azar. Por cierto, algunos de ellos crearon distorsiones similares a las que se ven en los datos del mundo real, que generalmente afectan solo a una de las cuatro imágenes objetivadas. Por lo tanto, los investigadores concluyen que las distorsiones en las imágenes de la lente son consistentes con un halo de materia oscura estructurado por la interferencia cuántica de los axiones.

Entonces, ¿son realmente axiones?

Analizar una sola galaxia nunca será un golpe decisivo para nada, y hay varias razones para ser más cauteloso aquí. Por un lado, los investigadores hicieron algunas suposiciones sobre la distribución de la materia visible normal en una galaxia, que también ejerce un efecto gravitatorio. Y se cree que las galaxias elípticas son el resultado de la fusión de galaxias más pequeñas, lo que podría influir en la distribución de la materia oscura de formas sutiles que son difíciles de detectar al trazar la distribución de la materia normal.

Finalmente, este tipo de patrón de interferencia solo funciona con axiones extraordinariamente ligeros, del orden de 10^-22 electronvoltios. Por otro lado, el propio electrón tiene una masa de unos 500.000 electronvoltios. Potencialmente, esto haría que los axiones fueran mucho más livianos que los neutrinos.

Y los propios autores del nuevo artículo son más cautelosos acerca de la evidencia aquí, y concluyen su artículo con la frase: «Determinar si [WIMP- or axion-based dark matter] reproducir mejor las observaciones astrofísicas inclinará la balanza hacia una de las dos clases correspondientes de teorías para la nueva física». Pero su precaución se desliza en la última oración del resumen, donde escriben: «La capacidad de [axion-based dark matter] para resolver anomalías de lentes incluso en casos exigentes como HS 0810+2554, junto con su éxito en la reproducción de otras observaciones astrofísicas, inclinan la balanza hacia la nueva física que invoca a los axiones».

Veremos, sin duda pronto, si este sentimiento es compartido por los físicos detrás de los autores y revisores de este artículo.

Astronomía de la Naturaleza, 2023. DOI: 10.1038/s41550-023-01943-9 (Sobre los DOI).