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Artículo publicado por Edwin Cartlidge el 7 de octubre de 2015 en physicsworld.com

La explosiones estelares conocidas como supernovas de Tipo Ia podrían estar disparadas por la materia oscura. Esto dicen unos físicos estadounidenses que han calculado cómo ciertas estrellas pueden estallar incluso aunque carecen de la masa necesaria para generar las reacciones de fusión. De acuerdo con la nueva investigación, las estrellas explotan debido a que acumulan lo que se conoce como materia oscura asimétrica que, de ser real, podría detectarse en la próxima generación de experimentos terrestres.

La materia oscura asimétrica, al igual que la materia visible común, aparece en forma de materia y antimateria. Esto se propuso sobre la base de que la densidad de materia oscura en el universo actual, tal como revelan las interacciones gravitatorias, es sólo aproximadamente cinco veces superior a la materia normal. En términos cosmológicos, las dos densidades de materia son casi idénticas, y esto sugiere un vínculo común entre la materia visible y la materia oscura. Este vínculo sería un ligerísimo desequilibrio entre materia y antimateria, el cual, tras la mutua aniquilación en los inicios del universo, dio como resultado las densidades que observamos hoy.

Supernova RCW 86

Supernova RCW 86

Esta similitud no se aplica a las partículas favoritas actualmente para la materia oscura – las partículas masivas de interacción débil (WIMPs) – que son sus propias antipartículas y no podrían haber pasado por una aniquilación desequilibrada.

Estallido explosivo

En el último trabajo, Joseph Bramante, de la Universidad de Notre Dame en Indiana, buscó pruebas de materia oscura asimétrica en las observaciones de las supernovas de tipo Ia, las “candelas estándar” que demuestran que la expansión del universo está acelerando. Tales supernovas se cree que tienen su origen en las enanas blanca, el denso remanente que queda cuando una estrella similar al Sol agota su combustible. Normalmente, las enanas blancas no son lo bastante masivas como para comprimirse hasta el punto en que su temperatura interna permita que tengan lugar las reacciones de fusión. Pero los astrofísicos creen que pueden acumular masa adicional absorbiendo material de estrellas cercanas. Finalmente alcanzarían el “límite de Chandrasekhar”, de aproximadamente 1,4 masas solares, punto en el cual colapsarían y se despedazarían como resultado de un estallido explosivo de energía de fusión.

Sin embargo, tal como señala Bramante, un estudio de 2014 sobre la luz emitida por una muestra de supernovas de Tipo Ia relativamente cercanas demostró que muchas de las enanas blancas asociadas no lograban alcanzar el límite de Chandrasekhar, algunas de ellas pesando apenas 0,9 masas solares. Otros investigadores han propuesto que las enanas blancas podrían fusionarse con otras para iniciar la supernova, pero Bramante dice que la baja densidad de los sistemas binarios de enanas blancas observados en nuestra galaxia “supone un desafío a tal idea”.

Energía extra

Bramante cree que la materia oscura podría proporcionar la energía gravitatoria extra necesaria para la explosión de la supernova. La idea es que a lo largo de su vida, una enana blanca absorbe materia oscura de sus alrededores, formando una bola de materia oscura en su centro la cual, finalmente, se hace tan masiva que colapsa sobre sí misma. Cuando esto sucede, las partículas de materia oscura dispersan núcleos de oxígeno y carbono en la enana blanca transformando el potencial gravitatorio en calor, y permitiendo que los núcleos se fusionen, dando como resultado una supernova. Sin embargo, las partículas de materia oscura simétrica, como las WIMPs, no podrían hacer esto debido a que su aniquilación mutua limitaría la masa acumulada.

Bramante ha calculado que las partículas de materia oscura asimétrica, con una masa entre 1015 y 1017 eV, podrían disparar la fusión en enanas blancas con una masa entre 0,9–1,4 masas solares. En comparación, un protón tiene una masa de 109 eV. Para respaldar su idea, Bramante investigó si existe una correlación inversa entre la masa y la edad de las enanas blancas – la idea es que se necesita menos materia oscura para colapsar objetos más masivos. En efecto, combinando datos de estudios distintos ya existentes que comparaban las curvas de luz de las supernovas (el brillo como una función del tiempo) con su edad y masa, encontró que tal correlación se soportaba en un nivel de 2,8σ. Aunque ésta es una sólida correlación, está muy por debajo del nivel de 5σ requerido para un descubrimiento.

Además, Bramante dice que la masa de las partículas asimétricas de su última investigación encajan aproximadamente con la necesaria para explicar por qué hay menos púlsares de los esperados en el centro de la Vía Láctea. De hecho, Bramante ha demostrado en anteriores trabajos que la materia oscura podría acumularse dentro de los púlsares y convertirlos en agujeros negros. Admite que las pruebas para ambos mecanismos, de púlsares y supernovas, son “circunstanciales”, y espera que los astrónomos puedan recopilar datos procedentes de otras supernovas y tratar de establecer una correlación de 5σ. También señala que sus ideas recibirían un fuerte impulso por las pruebas de que las supernovas más cercanas al centro de las galaxias estallan a una edad más temprana – dado que la materia oscura tiende a acumularse en los centros galácticos.

Detección en el laboratorio

Sin embargo, incluso entonces, según señala Bramante, sólo se tomarían en serio sus afirmaciones en caso de confirmarse la detección directa de partículas de materia oscura en el laboratorio. Los experimentos mejor situados para realizar esta tarea, comenta, son XENON1T en el Laboratorio Gran Sasso, en Italia, que tiene previsto conectarse de nuevo este otoño tras una gran mejora; y LUX-ZEPLIN en Dakota del Sur, Estados Unidos, una instalación que tiene previsto iniciar su funcionamiento el próximo año. “Si encuentran materia oscura, quedara claro bastante pronto si es tan pesada como predicen estos escenarios”, comenta.

De acuerdo con Kevork Abazajian de la Universidad de California en Irvine, la hipótesis de la supernova hará que los resultados, esperados ansiosamente, de estos experimentos sean “incluso más interesantes”. Dice que aunque la última investigación no proporciona una “demostración definitiva” de que la materia oscura dispare las supernovas de Tipo Ia, cree que la confirmación procedente de la detección directa en los experimentos provocaría que el mecanismo de ignición “se convirtiese casi con toda seguridad en una consideración estándar en los modelos de supernovas de Tipo Ia”.

La investigación se publica en la revista Physical Review Letters.

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