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Una ilustración de una destino de neutrones situada en el corazón de los restos de una supernova que emite rayos gamma desde sus polos. | Crédito: Robert Lea (creado con Canva)
Los rayos gamma que emergen de las estrellas de neutrones en el centro de las explosiones de supernovas podrían resolver el intriga de la materia oscura en sólo 10 segundos. Es proponer, si la materia oscura está compuesta de axiones, que son hipotéticas partículas ligeras que actualmente son las principales candidatas a formar materia oscura.
El equipo de la Universidad de California en Berkeley detrás de esta teoría cree que si es cierta, una supernova en erupción lo suficientemente cerca de la Tierra nos permitiría detectar sus emisiones de luz de adhesión energía, confirmar la masa de los axiones y, por lo tanto, resolver todo el rompecabezas de la materia oscura. .
La ataque de supernova requerida tendría que provenir de una destino masiva que muere y explota en el interior de la Vía Láctea o en una de sus galaxias adiátere, como la Gran Estrato de Magallanes. Este tipo de eventos ocurren cada pocas décadas, en promedio, y la última supernova próxima, denominada supernova 1987A, entró en erupción en el interior de la Gran Estrato de Magallanes en 1987.
Si los investigadores están en lo cierto, la búsqueda de materia oscura, que ha preocupado a los astrónomos durante décadas, podría resolverse en un futuro muy próximo con un poco de buena suerte.
Una detección de rayos gamma reveladores requeriría que el único telescopio de rayos gamma basado en el espacio de la humanidad, el Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi, apunte en la dirección de la supernova cercana cuando explote. Si se tiene en cuenta el campo de visión de Fermi, esto tiene una probabilidad de 1 entre 10 de suceder.
El equipo cree que una sola detección de rayos gamma de una destino de neutrones en el centro de los restos de una supernova sería suficiente para determinar la masa del axión a partir de una amplia viso de masas teóricas sugeridas actualmente para estas partículas hipotéticas. El equipo está particularmente interesado en la detección de un tipo de axión llamado axión QCD. A diferencia de otros axiones hipotéticos, la masa del axión QCD depende de la temperatura.
“Si viéramos una supernova, como la supernova 1987A, con un telescopio flamante de rayos gamma, podríamos detectar o descartar este axión QCD”, dijo Benjamin Safdi, autor principal de la investigación y profesor asociado de física en la Universidad de California Berkeley, dijo en un comunicado. “Y todo sucedería en 10 segundos”.
¿Por qué los rayos gamma?
La materia oscura constituye un problema tan preocupante para los científicos porque pesa más que las partículas de la “materia cotidiana” en el universo en una proporción de 5 a 1. Esto es significativo porque cada destino, aglomeración de polvo cósmico, vidriera, asteroide, planeta, ser humano, animal y cada objeto inanimado que llena nuestras vidas se compone de materia cotidiana.
La materia oscura incluso es complicada porque no interactúa con la luz o, si lo hace, esta interacción es tan débil que no podemos verla. Eso hace que la materia oscura sea efectivamente invisible. A medida que continúa la búsqueda de partículas que podrían formar la materia oscura, los axiones han surgido como los principales candidatos.
Esto es útil porque estas partículas no sólo encajan perfectamente en el interior del maniquí tipificado de física de partículas; incluso explican otros misterios. Por ejemplo, podrían ser la esencia para equiparar la teoría de la pesantez, la relatividad caudillo y la física cuántica de Albert Einstein.
“Parece casi irrealizable tener una teoría consistente de la pesantez combinada con la mecánica cuántica que no tenga partículas como el axión”, explicó Safidi.
Si adecuadamente muchos experimentos terrestres han buscado en el zoológico de partículas para confirmar la existencia de axiones, muchos científicos han dirigido su atención a las estrellas más extremas del universo, las estrellas de neutrones, sugiriendo que podrían conservar estas hipotéticas partículas.
Una esfera garzo brillante detrás de una capa de humo umbrátil.
Las estrellas de neutrones nacen cuando las estrellas masivas se quedan sin el combustible necesario para la fusión nuclear en sus núcleos y cesa la presión de radiación en dirección a exterior que han estado generando durante miles de millones de abriles. Esto significa que estas estrellas ya no pueden sostenerse contra el empuje en dirección a adentro de su propia pesantez.
A medida que sus núcleos colapsan rápidamente, ondas de choque irrumpen en las capas superiores de estas estrellas masivas, provocando supernovas que destruyen la mayoría de las masas de las estrellas. El resultado son estrellas de neutrones con masas entre una y dos veces la del Sol y un orondo de aproximadamente de 20 kilómetros (12 millas).
Los científicos han propuesto averiguar axiones creados en el interior de las estrellas de neutrones adaptado a posteriori de que se produzca el colapso del núcleo de la supernova que las genera. Este esfuerzo se ha centrado principalmente en los axiones que producen lentamente fotones (las partículas fundamentales de la luz) de rayos gamma cuando las partículas encuentran los campos magnéticos aproximadamente de las galaxias.
Safdi y sus colegas teorizaron que este proceso no sería muy valioso para crear rayos gamma, al menos no en volúmenes suficientes para detectarlos desde la Tierra. Por lo tanto, cambiaron su atención a un proceso cósmico similar, pero esta vez que ocurre en los poderosos campos magnéticos que rodean las propias estrellas de neutrones. Descubrieron que esta región puede estimular eficazmente un estallido de rayos gamma que se correspondería con la masa de los axiones y coincidiría con un estallido de “partículas aparición”, o neutrinos, desde el corazón de la respectiva destino de neutrones.
Esta ataque de axiones duraría sólo 10 segundos a posteriori de la formación de la destino de neutrones, y la tasa de producción de estas hipotéticas partículas caería dramáticamente horas ayer de que explotaran las capas externas de la destino.
“Esto verdaderamente nos ha llevado a pensar en las estrellas de neutrones como objetivos óptimos para la búsqueda de axiones como laboratorios de axiones”, dijo Safdi. “Las estrellas de neutrones tienen muchas cosas a su patrocinio. Son objetos extremadamente calientes. Igualmente albergan campos magnéticos muy fuertes. Los campos magnéticos más fuertes de nuestro universo se encuentran aproximadamente de estrellas de neutrones, como los magnetares, que tienen campos magnéticos de decenas de miles de millones. “Muchas veces más musculoso que cualquier cosa que podamos construir en el laboratorio, eso ayuda a convertir estos axiones en señales observables”.
Un orbe rojo de forma irregular rodeado por un anillo rojo en daño.
Siguiendo esta término de investigación, y considerando la velocidad a la que las estrellas de neutrones se enfrían a medida que producen axiones y neutrinos, Safdi y sus colegas determinaron que la masa superior del axión QCD probablemente sería 32 veces más pequeña que la masa del electrón.
En este nuevo trabajo, el equipo describió la producción de rayos gamma a posteriori de la supernova del colapso del núcleo que creó una destino de neutrones y consideró la importancia del hecho de que Fermi no detectó rayos gamma cuando explotó la supernova 1987A. Esto llevó a los investigadores a concluir que la detección de rayos gamma de un evento explosivo de este tipo les permitiría detectar el axión QCD si tiene una masa superior a una 10 mil millonésima parte de la masa del electrón. Sostienen que una sola detección sería suficiente para reorientar la búsqueda de axiones y ayudar a confirmar su masa.
“El mejor atmósfera para los axiones es que Fermi atrape una supernova. Sólo que la posibilidad de que eso ocurra es pequeña”, dijo Safdi. “Pero si Fermi lo viera, podríamos calcular su masa. Podríamos calcular su fuerza de interacción. Podríamos determinar todo lo que necesitamos memorizar sobre el axión, y seríamos increíblemente “Confío en la señal porque no hay materia ordinaria que pueda crear tal evento”.
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El equipo es consciente de que existe el peligro de acaecer desapercibidos los rayos gamma creados por los axiones procedentes de la próxima erupción de supernova tan esperada en las proximidades de la Vía Láctea.
Para evitar este resultado, el equipo está trabajando con científicos constructores de telescopios de rayos gamma para determinar qué tan factible sería observar el 100% del firmamento las 24 horas del día, los 7 días de la semana. Esto garantizaría que se detectarían los rayos gamma que escaparan de una supernova. Los investigadores han propuesto que la constelación de satélites de rayos gamma que ocupa todo el firmamento se denomine Herramienta de Axión Astronómico para Supernova (GALAXIS).
“Creo que todos los que trabajamos en este artículo estamos estresados por la posibilidad de que haya una próxima supernova ayer de que tengamos la instrumentación adecuada”, dijo Safdi. “Sería una verdadera queja que mañana estallara una supernova y perdiéramos la oportunidad de detectar el axión; es posible que no regrese hasta en el interior de 50 abriles”.
La investigación del equipo fue publicada el 19 de noviembre en la revista Physical Review Letters.
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