Un misterioso resplandor de rayos gamma en el centro de la vía Láctea es probablemente causado por los púlsares – los núcleos increíblemente densos y rápidamente hilados de estrellas antiguas colapsadas que fueron hasta 30 veces más masivas que el sol.
Un exceso de rayos gamma procedentes del centro de la Vía Láctea se debe probablemente a una población de estrellas de neutrones rápidamente giratorias, muy densas y altamente magnetizadas, llamadas pulsares. Crédito: NASA / CXC / Universidad de Massachusetts / D. Wang y col .; Greg Stewart / SLAC Laboratorio Nacional de Aceleradores
Esa es la conclusión de un nuevo análisis de un equipo internacional de astrofísicos, incluyendo investigadores del laboratorio acelerador nacional SLAC del Departamento de energía. Los hallazgos arrojan dudas sobre las interpretaciones anteriores de la señal como un signo potencial de la materia oscura – una forma de materia que representa el 85 por ciento de toda la materia en el universo, pero que hasta ahora ha evadido la detección.
"Nuestro estudio muestra que no necesitamos materia oscura para entender las emisiones de rayos gamma de nuestra galaxia", dijo Mattia di Mauro del Instituto Kavli para la astrofísica de partículas y Cosmología (KIPAC), un Instituto Mixto de la Universidad de Stanford y SLAC. "En cambio, hemos identificado una población de púlsares en la región alrededor del centro galáctico, que arroja nueva luz sobre la historia de la formación de la vía Láctea."
Di Mauro dirigió el análisis para la colaboración de Fermi LAT, un equipo internacional de investigadores que miraron el resplandor con el Telescopio de Área Grande (LAT) en el Telescopio Espacial de Rayos Gamma de la NASA, que ha estado orbitando la Tierra desde 2008. El LAT-a El "ojo" sensible para los rayos gamma, la forma más enérgica de luz, fue concebido y ensamblado en SLAC, que también alberga su centro de operaciones.
Los hallazgos de la colaboración, presentados a The Astrophysical Journal para su publicación, están disponibles como una preimpresión.
Un resplandor misterioso
La materia oscura es uno de los misterios más grandes de la física moderna. Los investigadores saben que la materia oscura existe porque se dobla la luz de galaxias lejanas y afecta cómo las galaxias rotan. Pero no saben de qué está hecha la sustancia. La mayoría de los científicos creen que está compuesta por partículas que aún no han sido descubiertas y que casi nunca interactúan con la materia ordinaria, aparte de la gravedad, lo que dificulta su detección.
Cuando los astrofísicos modelan las fuentes de rayos gamma de la Vía Láctea al mejor de su conocimiento, se quedan con un brillo excesivo en el centro galáctico. Algunos investigadores han argumentado que la señal podría sugerir partículas hipotéticas de materia oscura. Sin embargo, también podría tener otros orígenes cósmicos. Crédito: NASA; A. Mellinger / Universidad Central de Michigan; T. Linden / Universidad de Chicago.
Una manera en que los instrumentos científicos pueden vislumbrar partículas de materia oscura es cuando las partículas se descomponen o chocan y se destruyen. "Las teorías ampliamente estudiadas predicen que estos procesos producirían rayos gamma", dijo Seth DIGEL, jefe del grupo Fermi de KIPAC. "Buscamos esta radiación con el LAT en las regiones del universo que son ricas en materia oscura, como el centro de nuestra galaxia".
Estudios anteriores han demostrado de hecho que hay más rayos gamma provenientes del centro galáctico de lo esperado, alimentando algunos documentos científicos y reportes de medios que sugieren que la señal podría insinuar a las partículas de materia oscura buscadas por mucho tiempo. Sin embargo, los rayos gamma se producen en un número de otros procesos cósmicos, que deben descartarse antes de que se pueda extraer cualquier conclusión sobre la materia oscura. Esto es particularmente difícil porque el centro galáctico es extremadamente complejo, y los astrofísicos no conocen todos los detalles de lo que está sucediendo en esa región.
La mayoría de los rayos gamma de la vía Láctea se originan en el gas entre las estrellas que se iluminan por los rayos cósmicos – partículas cargadas producidas en poderosas explosiones estelares, llamadas supernovas. Esto crea un resplandor de rayos gamma difuso que se extiende por toda la galaxia. Los rayos gamma también son producidos por remanentes de supernova, púlsares – estrellas colapsadas que emiten "rayos" de rayos gamma como faros cósmicos – y objetos más exóticos que aparecen como puntos de luz.
"Dos estudios recientes realizados por equipos en Estados Unidos y los países bajos han demostrado que el exceso de rayos gamma en el centro galáctico está salpicado, no es suave como cabría esperar de una señal de materia oscura", dijo Eric Charles de KIPAC, quien contribuyó al nuevo análisis. "Estos resultados sugieren que las manchas pueden deberse a fuentes puntuales que no podemos ver como fuentes individuales con el LAT porque la densidad de fuentes de rayos gamma es muy alta y el resplandor difuso es más brillante en el centro galáctico".
Restos de estrellas antiguas
El nuevo estudio lleva los análisis anteriores al siguiente nivel, demostrando que la señal de rayos gamma moteado es consistente con los púlsares.
Un exceso de rayos gamma procedentes del centro de la Vía Láctea ha alimentado las esperanzas de que la señal pueda provenir de hipotéticas partículas de materia oscura que chocan y se destruyen (a la izquierda). La radiación también podría ser producida por pulsares - rotación rápida de estrellas de neutrones con fuertes campos magnéticos (derecha). Crédito: Greg Stewart / SLAC Laboratorio Nacional de Aceleración
"Considerando que alrededor del 70 por ciento de todas las fuentes puntuales en la vía Láctea son púlsares, fueron los candidatos más probables", dijo Mauro. "pero usamos una de sus propiedades físicas para llegar a nuestra conclusión." Los púlsares tienen espectros muy distintos – es decir, sus emisiones varían de una manera específica con la energía de los rayos gamma que emiten. Usando la forma de estos espectros, pudimos modelar el resplandor del centro galáctico correctamente con una población de unos 1.000 púlsares y sin introducir procesos que impliquen partículas de materia oscura.
El equipo ahora está planeando estudios de seguimiento con radiotelescopios para determinar si las fuentes identificadas emiten su luz como una serie de breves pulsos de luz – la marca registrada que da a los púlsares su nombre.
Los descubrimientos en el halo de estrellas alrededor del centro de la galaxia – la parte más antigua de la vía Láctea – también revelan detalles sobre la evolución de nuestro hogar Galáctico, al igual que los restos antiguos enseñan a los arqueólogos sobre la historia humana.
"Los púlsares aislados tienen una vida típica de 10.000.000 años, que es mucho más corto que la edad de las estrellas más antiguas cerca del centro galáctico", dijo Charles. "El hecho de que todavía podamos ver los rayos gamma de la población de púlsares identificados actualmente sugiere que los púlsares están en sistemas binarios con estrellas compañeras, de las que lixivian energía." Esto amplía tremendamente la vida de los púlsares.
La materia oscura sigue siendo elusiva
Los nuevos resultados se añaden a otros datos que desafían la interpretación del exceso de rayos gamma como una señal de materia oscura.
Distribución simulada de fuentes de rayos gamma en la región interior de 40 grados por 40 grados de la Vía Láctea con el centro galáctico en el centro. El mapa muestra los pulsares en el disco galáctico (estrellas rojas) y en la región central de la galaxia (círculos negros). Crédito: NASA / DOE / Fermi LAT Colaboración
"Si la señal fuera debida a la materia oscura, esperaríamos verlo también en los centros de otras galaxias", dijo DIGEL. "La señal debe ser particularmente clara en las galaxias enanas que orbitan la vía Láctea." Estas galaxias tienen muy pocas estrellas, típicamente no tienen púlsares y se mantienen juntas porque tienen mucha materia oscura. Sin embargo, no vemos ninguna emisión de rayos gamma significativa de ellos.
Los investigadores creen que un fuerte resplandor de rayos gamma recientemente descubierto en el centro de la galaxia de Andrómeda, la mayor galaxia más cercana a la vía Láctea, también puede ser causada por púlsares en lugar de la materia oscura.
Pero la última palabra puede no haber sido hablada. Aunque el equipo de Fermi-LAT estudió un área grande de 40 grados por 40 grados alrededor del centro galáctico de la Vía Láctea (el diámetro de la luna llena es aproximadamente medio grado), la extremadamente alta densidad de fuentes en los cuatro grados más internos hace que sea muy difícil ver a los individuos y descartar una distribución de rayos gamma lisa, de materia oscura, dejando un espacio limitado para que las señales de materia oscura se oculten.
Este trabajo fue financiado por la NASA y la oficina de ciencia de Doe, así como agencias e institutos en Francia, Italia, Japón y Suecia.