«No podía creer lo que veía», dijoEsra Bulbul del Centro de Astrofísica de Harvard en julio de 2014 de una historia aún en desarrollo sobre una señal extraña que parecía no provenir de ningún tipo conocido de materia detectada en el espectro de rayos X en el Cúmulo de Perseo, uno de los objetos más masivos conocidos en el universo. «Lo que encontramos, a primera vista, no podría explicarse mediante la física conocida».
Imagina una nube de gas en la que cada átomo es una galaxia completa «.
Junto con un equipo de más de media docena de colegas, Bulbul utilizó elObservatorio de rayos X Chandra para explorar el Cúmulo de Perseo, un enjambre de galaxias aproximadamente a 250 millones de años luz de la Tierra. Imagine una nube de gas en la que cada átomo es una galaxia completa; así es un poco el cúmulo de Perseo. El cúmulo en sí está inmerso en una enorme «atmósfera» de plasma sobrecalentado, y es allí donde reside el misterio.
“La atmósfera del cúmulo está llena de iones como Hierro (Fe XXV), Silicio (Si XIV) y Azufre (S XV). Cada uno produce una ‘protuberancia’ o ‘línea’ en el espectro de rayos X, que podemos mapear usando Chandra ”, explica Bulbul. «Estas líneas espectrales tienen energías de rayos X conocidas».
Apareció una nueva línea donde no debería haber ninguna línea «.
Sin embargo, en 2012, cuando Bulbul sumó el valor de 17 días de Datos de Chandra, apareció una nueva línea donde no debería haber ninguna línea. “Apareció una línea a 3,56 keV (kiloelectronvoltios) que no corresponde a ninguna transición atómica conocida”, dijo. «Fue una gran sorpresa.»
Al principio, la propia Bulbul no lo creyó. “Me tomó mucho tiempo convencerme de que esta línea no es un artefacto detector ni una línea atómica conocida”, dijo Bulbul. “He hecho controles muy cuidadosos. He vuelto a analizar los datos; dividir el conjunto de datos en diferentes subgrupos; y verificó los datos de otros cuatro detectores a bordo de dos observatorios diferentes. Ninguno de estos esfuerzos hizo desaparecer la línea ”.
«¿Un mensaje del cosmos fantasma?»
En resumen, parecía real. La realidad de la línea se confirmó aún más cuando el equipo de Bulbul encontró la misma firma espectral en las emisiones de rayos X de otros 73 cúmulos de galaxias. Esos datos fueron recopilados por el observatorio XMM-Newton de la agencia espacial europea (ESA), un telescopio de rayos X completamente independiente.
Confirmación
Luego, aproximadamente una semana después de que el equipo de Bulbul publicara su artículo en línea, un grupo diferente liderado porAlexey Boyarsky de la Universidad de Leiden en los Países Bajos informó evidencia de la misma línea espectral en las observaciones de XMM-Newton de la galaxia de Andrómeda. También confirmaron la línea en las afueras del cúmulo de Perseo.
Parece no provenir de ningún tipo conocido de materia «.
La línea espectral parece no provenir de ningún tipo de materia conocida, lo que traslada la sospecha a lo desconocido: la materia oscura. “Después de que enviamos el artículo, los teóricos propusieron alrededor de 60 tipos diferentes de materia oscura que podrían explicar esta línea. Algunos físicos de partículas han llamado en broma a esta partícula un ‘bulbulon’ ”, se rió.
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La colección de candidatos a materia oscura que podrían producir este tipo de línea incluye axiones, neutrinos estériles y «módulos de materia oscura» que pueden resultar de la curvatura de dimensiones adicionales en la teoría de cuerdas.
Resolver el misterio podría requerir un observatorio completamente nuevo. En 2015, la agencia espacial japonesa lanzó un telescopio de rayos X avanzado llamado «Astro-H». Tiene un nuevo tipo de detector de rayos X, desarrollado en colaboración por científicos de la NASA y la Universidad de Wisconsin, que podrá medir la línea misteriosa con más precisión de la que es posible actualmente.
Avance rápido hasta diciembre de 2017
Los astrónomos pueden haber descubierto una pista sobre qué es la materia oscura: un nuevo hallazgo involucró una explicación de un conjunto de resultados obtenidos con el Observatorio de rayos X Chandra de la NASA, el XMM-Newton de la ESA y el telescopio de rayos X dirigido por Japón Hitomi. Si se confirma con observaciones futuras, esto puede representar un gran paso adelante en la comprensión de la naturaleza de la materia oscura.
«Esperamos que este resultado sea enormemente importante o un fracaso total», dijoJoseph Conlon de la Universidad de Oxford quien dirigió el nuevo estudio. «No creo que haya un punto intermedio cuando buscas respuestas a una de las preguntas más importantes de la ciencia».
La historia de este trabajo comenzó en 2014 cuando el equipo de astrónomos dirigido por Bulbul (Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica en Cambridge, Massachusetts) puso la pelota en marcha cuando encontró el pico de intensidad en una energía muy específica en Chandra y XMM- Observaciones de Newton.
Un origen de materia oscura
Este pico, o línea de emisión espectroscópica, tiene una energía de 3,5 kiloelectrones voltios (keV). La intensidad de la línea de emisión de 3,5 keV es muy difícil, si no imposible, de explicar en términos de características previamente observadas o predichas de objetos astronómicos y, por lo tanto, se sugirió un origen de materia oscura. Bulbul y sus colegas también informaron de la existencia de la línea de 3,56 keV en un estudio de otros 73 cúmulos de galaxias utilizando XMM-Newton.
La trama de esta historia de materia oscura se espesó cuando solo una semana después de que el equipo de Bulbul presentó su artículo, un grupo diferente, liderado por el antes mencionado Alexey Boyarsky en la Universidad de Leiden, informó evidencia de una línea de emisión a 3.56 keV en observaciones XMM-Newton de la galaxia M31 (también conocida como la galaxia de Andrómeda) y las afueras del cúmulo de Perseo, lo que confirma el resultado de Bulbul.
«Partículas de materia oscura tan grandes como una galaxia»
Sin embargo, estos dos resultados fueron controvertidos, ya que otros astrónomos detectaron más tarde la línea de 3,56 keV al observar otros objetos, y algunos no la detectaron.
El debate pareció resolverse en 2016 cuando Hitomi, especialmente diseñado para observar características detalladas como la emisión de líneas en los espectros de rayos X de las fuentes cósmicas, no pudo detectar la línea de 3,56 keV en el cúmulo de Perseus.
Ocurrió un interesante giro en la trama
«Uno podría pensar que cuando Hitomi no vio la línea de 3.56 keV, simplemente hubiéramos tirado la toalla para esta línea de investigación», dijo la coautora Francesca Day, también de Oxford. “Por el contrario, aquí es donde, como en cualquier buena historia, ocurrió un giro interesante en la trama”.
Conlon y sus colegas notaron que el telescopio Hitomi tenía imágenes mucho más borrosas que Chandra, por lo que sus datos sobre el cúmulo de Perseus en realidad están compuestos por una mezcla de señales de rayos X de dos fuentes: un componente difuso de gas caliente que envuelve a la gran galaxia en el centro del cúmulo y emisión de rayos X desde cerca del agujero negro supermasivo en esta galaxia. La visión más nítida de Chandra puede separar la contribución de las dos regiones. Aprovechando esto, Bulbul y sus colaboradores aislaron la señal de rayos X del gas caliente eliminando las fuentes puntuales de su análisis, incluidos los rayos X del material cerca del agujero negro supermasivo.
Encuentran algo sorprendente
Para probar si esta diferencia importaba, el equipo de Oxford volvió a analizar los datos de Chandra de cerca del agujero negro en el centro del cúmulo de Perseus tomados en 2009. Encontraron algo sorprendente: evidencia de un déficit en lugar de un superávit de X- rayos a 3,56 keV. Esto sugiere que algo en Perseo está absorbiendo rayos X con esta energía exacta. Cuando los investigadores simularon el espectro de Hitomi agregando esta línea de absorción a la línea de emisión de gas caliente vista con Chandra y XMM-Newton, no encontraron evidencia en el espectro sumado de absorción o emisión de rayos X a 3.56 keV, consistente con las observaciones de Hitomi.
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El desafío es explicar este comportamiento: detectar la absorción de luz de rayos X cuando se observa el agujero negro y la emisión de luz de rayos X a la misma energía cuando se mira el gas caliente a distancias angulares más grandes en el cielo lejos del agujero negro.
Detectado en el agujero negro supermasivo en el centro de Perseo
El último trabajo muestra que la absorción de rayos X a una energía de 3,56 keV se detecta al observar la región que rodea al agujero negro supermasivo en el centro de Perseo.
Las partículas de materia oscura en el cúmulo absorben y emiten rayos X «.
Esto sugiere que las partículas de materia oscura en el cúmulo absorben y emiten rayos X al mismo tiempo. Si el nuevo modelo resulta ser correcto, podría proporcionar un camino para que los científicos algún día identifiquen la verdadera naturaleza de la materia oscura. Para los próximos pasos, los astrónomos necesitarán más observaciones del cúmulo de Perseus y otros similares con los telescopios de rayos X actuales y los que se planean para la próxima década y más allá. (NASA / CXC / M. Weiss)
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De hecho, este comportamiento es bien conocido por los astrónomos que estudian estrellas y nubes de gas con telescopios ópticos. La luz de una estrella rodeada por una nube de gas a menudo muestra líneas de absorción producidas cuando los átomos de la nube de gas absorben la luz de una estrella de una energía específica. La absorción impulsa a los átomos de un estado de baja a una alta energía. El átomo vuelve rápidamente al estado de baja energía con la emisión de luz de una energía específica, pero la luz se vuelve a emitir en todas las direcciones, produciendo una pérdida neta de luz en la energía específica, una línea de absorción, en el espectro observado. de la estrella. Por el contrario, una observación de una nube en una dirección alejada de la estrella detectaría solo la luz reemitida o fluorescente a una energía específica, que se mostraría como una línea de emisión.
Las partículas de materia oscura pueden ser como átomos al tener dos estados de energía separados por 3,56 keV «.
El equipo de Oxford sugiere en su informe que las partículas de materia oscura pueden ser como átomos al tener dos estados de energía separados por 3,56 keV. Si es así, podría ser posible observar una línea de absorción a 3,56 keV cuando se observa en ángulos cercanos a la dirección del agujero negro, y una línea de emisión cuando se observa el gas caliente del cúmulo en ángulos grandes lejos del agujero negro.
«Esta no es una imagen simple de pintar, pero es posible que hayamos encontrado una manera de explicar las inusuales señales de rayos X que provienen de Perseo y descubrir una pista sobre lo que realmente es la materia oscura», dijo el coautor Nicholas Jennings. , también de Oxford.
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Para escribir el próximo capítulo de esta historia, los astrónomos necesitarán más observaciones del cúmulo de Perseo y otros similares. Por ejemplo, se necesitan más datos para confirmar la realidad de la caída y excluir una posibilidad más mundana, a saber, que tenemos una combinación de un efecto instrumental inesperado y una caída estadísticamente improbable en los rayos X a una energía de 3,56 keV. Chandra, XMM-Newton y las futuras misiones de rayos X continuarán observando cúmulos para abordar el misterio de la materia oscura.
La galaxia diaria con Avi Shporer, Investigador científico, MIT Kavli Institute for Astrofysics and Space Research, a través de Centro de rayos X Chandra y Dr. Tony Phillips / Ciencia @ NASA. Avi fue anteriormente miembro de la NASA Sagan en el Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL)
Credito de imagen:APOD / NASA
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