Leyendo bajo la luz de la materia oscura

Después de esperar por meses por fin recibí otros dos números de Scientific American, mi revista de actualidad científica favorita (recomendada!) y el único medio impreso que verdaderamente me gusta leer. Al principio la revista me llegaba mes a mes hasta Medellín sin falta pero súbitamente la regla dejo de cumplirse a principios de este año. Esto me ha sometido a un prolongado período de abstinencia impresa en el que de vez en cuando me he visto obligado a leer otros medios impresos aún en contra de mi voluntad! (leáse TV y novelas, Jet Set, entre otras) Parece exagerado pero es que leer a Scientific American es delicioso. No sólo es entretenido porque puedes encontrar en ella temas que van desde el funcionamiento de un tostador hasta nuevas teorías sobre el origen del cancer sino también por qué es muy satisfactorio saber que lo que estas leyendo lo escriben expertos mundiales y no periodistas! Una gran diferencia que se nota desde el primer párrafo de los artículos.

No paso mucho tiempo después de que abriera el número de abril hasta encontrarme el primer artículo de Cosmología (una nota de una página en la sección de News Scan), un tópico que por su actualidad, interés y atractivo público es casí obligado mes a mes en la revista. En un parráfo al margen de la nota aparecía la siguiente frase “Deep in the core of the galaxy, you might literally be able to read by the light of dark matter [...]” (En lo profundo del centro de la Galaxia uno podría ser capaz de leer con la luz de la materia oscura). Una frase maravillosa, que como muchas frases escritas por buenos divulgadores científicos, resume en pocas palabras las que son ideas recientes sobre formas novedosas en las que la materia oscura podría dar a “luz” (literalmente!) radiación electromagnética. ¿Parece contradictorio no? Tantos esfuerzos por clarificar la definitoria propiedad de la materia oscura de no emitir ningún tipo de radiación por carecer de propiedades electromagnéticas (ver Mitos y Verdades sobre una Oscura Relaidad) como para que nos salgan ahora con que después de todo esta forma abundante de materia si puede “brillar”.

Pero un momento, no hay que apresurarse tampoco. La materia oscura, en su mas abundante forma de partículas masivas debilmente interactuantes (WIMPs), no ha dejado de ser considerada una forma de materia carente de propiedades electromagnéticas y completamente incapaz de producir o perturbar campos electromagnéticos. Las nuevas ideas (que realmente no son tan nuevas y han estado entre los expertos desde hace un par de años) proponen que la materia oscura podría producir radiación de formas indirectas pero consumiendo en el proceso su propia energía.

Dos son las formas posibles en las que la energía de la materia oscura podría ser transmutada naturalmente en algunos escenarios en energía radiante. El primero es uno bastante natural y común a casí todas las partículas en el Universo: la aniquilación de partículas y antipartículas. Toda la materia oscura que contiene nuestro Universo fue formada en las muy tempranas etapas de su historia. En aquellos tiempos la formación de partículas de materia oscura como también la formación de partículas convencionales (materia bariónica) se conseguia convirtiendo formas de energía “pura” (como la misma radiación electromagnética y otras formas de energía más exóticas) en partículas. Pero es normal que en los procesos de creación de partículas a partir de energía la naturaleza cree todo tipo de bichos pero en pares: cada vez que en el Universo temprano nació un electrón, nació con él también un hermano gemelo casí identico pero con una carga eléctrica (y otras propiedades más sutiles) completamente opuesta. Este “antielectrón” (llamado por los físicos positrón) nace porque la naturaleza que es muy sabia sabe que al crear un electrón le agrega una carga electríca al mundo que antes no existía. Pero si al mismo tiempo crea otra carga pero de signo contrario todos estaremos deacuerdo en que de forma neta no se agrego más electricidad al Universo. Pues bien, pares partícula antipartícula de todas las formas materiales fueron creadas en esas candentes etapas del Universo, incluyendo un número inimaginable de pares gemelos de WIMPs. Pero los gemelos (como la mayoría de los hermanos) no se llevan muy bien. Cada vez que una partícula “ve de frente” a su respectiva antipartícula una pelea intestina se desata y en menos de lo que tardan en crearse desaperecen definitivamente dejando detrás formas de energía diferentes. Este proceso que se conoce como aniquilación de pares ocurre por ejemplo de forma permanente en el centro del Sol donde positrones son creados en los procesos de fusión nuclear y luego aniquilados con electrones allí mismo donde se crearon (una fracción no pequeña de la energía que recibimos del Sol proviene de esa aniquilación!) La aniquilación de electrones y positrones, protones y antiprotones, quarks y antiquarks en las primeras fracciones de segundos del Universo es responsable de que todo el cosmos este lleno de esa luz que llamamos radiación cósmica de fondo.

Bueno, pero ¿dónde entra la antimateria y la lectura de una novela bajo la luz que ella emite? Por su increiblemente débil interacción muchas antipartículas de materia oscura (anti WIMPS) no han encontrado en todo lo que lleva de vida el Universo a otras partículas gémelas. El Universo estaría lleno de un mar de partículas y antipartículas de materia oscura, una dimensión de esta realidad que muchos posiblemente no habían considerado todavía. Pues bien, en algunos lugares del Universo, la gravedad (que actua por igual sobre la materia oscura y la bariónica) podría sacar de ese aislacionismo a las antiparticulas y partículas de materia oscura y ponerlas en contacto con el consecuente chispazo! La idea no es naturalmente nueva (aunque repito para muchos de nosotros no es muy natural llegar hasta ella). Lo novedoso de ella es que los efectos de esa aniquilación en ciertos sistemas astrofísicos podrían conducir a la producción de un exceso de luz que por otros medios no sería posible producir. Esto es precisamente lo que han propuesto y calculado Igor Moskalenko y Lawrence Wai de la Universidad de Stanford y del Stanford Linear Accelerator Center. Moskalenko y Wai nos invitan a pensar en el siguiente escenario: ¿Dónde podría la gravedad lograr en mayor medida el milagro de reunir a los WIMPs gemelos que desde el Big Bang no se ven? Distintos lugares en el Universo se ofrecen como sitios de encuentro. El más seguro de ellos es el corazón mismo de las galaxias. Muy adentro del abultamiento central de las galaxias de disco como la nuestra, la densidad de materia oscura es mayor que en el resto del Universo. Precisamente la materia bariónica que forma las estrellas y gases que configuran la galaxias se ha concentrado en esos lugares por el efecto atractivo de la gravedad de la materia oscura que supera en más de 4 veces la masa de la primera. Los procesos particulares que inducen la concentración de la materia bariónica en estos sistemas y que forman estrellas, planetas y agujeros negros supermasivos podrían contribuir aún más a concentrar la materia oscura en los centros galácticos. Aquellos lugares serían entonces testigos del encuentro “frecuente” (bueno ni tan frecuente porque la interacción entre WIMPs sigue siendo más débil que las de cualquier otra partícula) de WIMPs y anti WIMPS.

Aún en esas densas regiones de las galaxias habrían sitios aún más privilegiados para el encuentro: el interior de las estrellas! Esta que no es una idea muy nueva (realmente se le ocurrió a un par de astrofísicos cuando Michael Jackson todavía era negro por allá en 1989!) es bastante natural. Si en un lugar con una densidad muy alta de WIMPs se coloca un cuerpo muy denso (la estrella) las interacciones de los núcleos atómicos en la estrella con los WIMPs reducen la velocidad de algunos de ellos y estos empiezan a acumularse en el interior de la estrella. Según los cálculos de Moskalenko y Wai en la región muy densa cerca al centro galáctico, enanas blancas (que son también mucho más densas que estrellas normales) “capturarían” por ese mismo proceso WIMPs y anti WIMPs que empezarían a aniquilarse liberando en el denso interior de la enana su energía. Estas afortunadas enanas hace mucho tiempo extintas (recordemos que las enanas blancas son el residuo inerte del núcleo de una estrella liviana) empezarían a calentarse alcanzando su superficie una temperatura superior a los 100,000 grados y brillando poderosamente (al menos para el estándar de todas las enanas blancas). Una cosa muy curiosa en todo esto es que estas “quemadoras de WIMPs” como se ha dado en llamar a los objetos astrofísicos que sufrieran este tipo de procesos, brillarían practicamente por toda la eternidad consumiendo muy lentamente la materia oscura del bulbo galáctico que es prácticamente inagotable.

¿Pero es esta historia, que aunque parece muy creible, verdadera? No hay que olvidar nunca que de esto se trata la ciencia: propone y comprueba. En uno de sus últimos artículos los autores de esta idea han puesto de relieve las que podrían ser las primeras evidencias que apoyarían al menos uno de los aspectos de esta curiosa predicción. Observaciones hechas en el denominado Sloan Digital Sky Survey (un programa de observación sistemática y exhaustiva de todo el cielo) han revelado la presencia de un número de enanas blancas muy calientes (temperaturas mayores a 100,000 grados) cerca al centro de la Galaxia. Muchas de ellas podrian ser las “antorchas” alimentadas con combustible de WIMPs que Moskalenko y Wai han predicho.

De este modo (y parece haber otros modos también) la materia oscura no sería tan “oscura” como la pintan y en cambio podría ser el origen de la luz de algunos objetos astrofísicos atrapados en las regiones más densas de los centro galácticos.

Jorge Zuluaga
Medellín - Colombia

Imagen: http://astronomy.swin.edu.au/~agraham/pictures/SMBH-2003b.jpg

Para saber más:

• www.sciam.com
  El sitio de Scientific American.

• http://www.sdss.org/
  Para los mas curiosos este es el sitio del Sloan Digital Sky Survey, uno de los más grandes programas de exploración y catalogación de las propiedades de los objetos del Universo.

Las fuentes originales:

• http://arxiv.org/abs/astro-ph/0608535
  Uno de los primeros artículos de Moskalenko y Wai sobre el tema.

• http://arxiv.org/abs/0704.1324
  http://arxiv.org/abs/astro-ph/0702654
  Los últimos trabajos publicados por los autores en relación con los “quemadores de materia oscura”