A principios de la década de 1930, el astrónomo suizo Fritz Zwicky observó que muchas galaxias se movían mucho más rápido de lo que debería permitirles su masa visible. Este movimiento inusual lo llevó a proponer que algún tipo de estructura invisible (la materia oscura) estaba proporcionando la atracción gravitacional adicional necesaria para mantener intactas esas galaxias. Casi un siglo después, el telescopio espacial Fermi de rayos gamma de la NASA puede haber capturado la primera evidencia directa de esta misteriosa sustancia, ofreciendo la posibilidad de «ver» finalmente la materia oscura.
La materia oscura sigue siendo una de las mayores incógnitas de la astronomía desde que se sugirió por primera vez. Hasta ahora, los científicos sólo han podido estudiarlo indirectamente observando cómo afecta a la materia ordinaria, como por ejemplo la forma en que produce suficiente gravedad para mantener unidas a las galaxias. La detección directa no ha sido posible porque las partículas de materia oscura no interactúan con la fuerza electromagnética, lo que significa que no absorben, reflejan ni emiten luz.
La hipótesis WIMP y los rayos gamma previstos
Muchos investigadores creen que la materia oscura está formada por partículas masivas que interactúan débilmente, o WIMP. Se cree que estas partículas son más pesadas que los protones e interactúan tan débilmente con la materia normal que son extremadamente difíciles de detectar. Sin embargo, la teoría sugiere que cuando dos WIMP chocan, se aniquilan entre sí y liberan partículas energéticas, incluidos fotones de rayos gamma.
Los científicos han pasado años examinando regiones donde debería concentrarse la materia oscura, especialmente el centro de la Vía Láctea, en busca de estos rayos gamma específicos. Utilizando nuevos datos del Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi, el profesor Tomonori Totani de la Universidad de Tokio ahora cree haber identificado la señal de rayos gamma prevista asociada con la aniquilación de partículas de materia oscura.
Los hallazgos de Totani aparecen en el Revista de cosmología y física de astropartículas.
Un halo de rayos gamma de 20 GeV cerca del centro de la Vía Láctea
«Detectamos rayos gamma con una energía fotónica de 20 gigaelectronvoltios (o 20 mil millones de electronvoltios, una cantidad extremadamente grande de energía) que se extienden en una estructura similar a un halo hacia el centro de la Vía Láctea. El componente de emisión de rayos gamma se asemeja mucho a la forma esperada del halo de materia oscura», dijo Totani.
El espectro de energía de rayos gamma medido, que describe cómo varía la intensidad de la emisión, coincide estrechamente con las predicciones del modelo para la aniquilación de WIMP hipotéticos con masas aproximadamente 500 veces la de un protón. La frecuencia estimada de estos eventos de aniquilación basada en la intensidad de los rayos gamma observada también se ajusta a los rangos teóricos esperados.
Evaluación de la posibilidad de un gran avance
Totani explica que el patrón de rayos gamma no se puede comparar fácilmente con otras fuentes conocidas o procesos astrofísicos más comunes. Debido a esto, considera que los datos son un fuerte candidato para la tan buscada emisión de rayos gamma de la materia oscura.
«Si esto es correcto, hasta donde yo sé, sería la primera vez que la humanidad ‘ve’ materia oscura. Y resulta que la materia oscura es una partícula nueva no incluida en el modelo estándar actual de física de partículas. Esto significa un avance importante en astronomía y física», dijo Totani.
Próximos pasos y verificación independiente
Aunque Totani confía en su análisis, enfatiza que la confirmación independiente es esencial. Otros investigadores necesitarán revisar los datos para verificar que la radiación tipo halo realmente resulta de la aniquilación de la materia oscura y no de otra fuente astrofísica.
Se podría obtener más apoyo si se encontrara la misma firma de rayos gamma en otras regiones ricas en materia oscura. Las galaxias enanas que orbitan dentro del halo de la Vía Láctea se consideran especialmente prometedoras. «Esto se podrá lograr una vez que se acumulen más datos y, de ser así, proporcionaría pruebas aún más sólidas de que los rayos gamma se originan a partir de la materia oscura», dijo Totani.
Financiamiento: Este trabajo fue apoyado por la subvención número 18K03692 de JSPS/MEXT KAKENHI.