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Un equipo de investigadores detectó una misteriosa señal de rayos gamma procedente de varios cúmulos de galaxias que podría estar relacionada con la naturaleza de la materia oscura, uno de los grandes enigmas de la física moderna. La señal aparece concentrada alrededor de una energía de 43,2 gigaelectronvoltios (GeV) y fue identificada al analizar más de 15 años de observaciones del telescopio espacial Fermi de la NASA. Aunque los científicos todavía no pueden determinar su origen, sus características coinciden con el tipo de emisión que podría producirse si determinadas partículas de materia oscura interactuaran y se aniquilaran entre sí.
La materia oscura y un posible modelo
La materia oscura no se puede observar a simple vista, porque no emite, absorbe ni refleja luz. Sin embargo, su presencia se infiere a partir de sus efectos gravitatorios sobre galaxias y otras estructuras del Universo.
Una de las principales hipótesis propone que estaría compuesta por WIMPs o partículas masivas de interacción débil. Estas partículas tendrían masa, pero interactuarían muy poco con la materia convencional. En algunos modelos, dos WIMPs podrían encontrarse y aniquilarse, transformando parte de su energía en otras partículas, entre ellas fotones de rayos gamma.
Encontrar una señal inequívoca producida por ese proceso sería una de las vías para identificar indirectamente qué compone la materia oscura, algo que hasta ahora ningún experimento ha conseguido confirmar.
¿Qué observó el nuevo estudio?
El nuevo estudio está dirigido por Yi-Zhong Fan, del Observatorio de la Montaña Púrpura de la Academia China de Ciencias y se publicó en la revista Physical Review Letters (PRL). En él, el equipo de investigadores utilizó 15,5 años de datos obtenidos por el instrumento Large Area Telescope (LAT) de Fermi de la NASA. Este instrumento está diseñado precisamente para estudiar rayos gamma de alta energía, desde unos 20 MeV hasta más de 300 GeV.
El equipo estudió 13 cúmulos de galaxias cercanos, ubicados a desplazamientos al rojo inferiores o iguales a 0,028, buscando concentraciones anormalmente estrechas de fotones en determinados niveles de energía.
Los investigadores encontraron una señal especialmente marcada alrededor de los 43,2 GeV al combinar los datos de Virgo, Fornax y Ophiuchus. Estos tres cúmulos fueron especialmente relevantes porque presentan algunos de los mayores “factores J” de la muestra, una medida utilizada para estimar cuánto podría concentrarse una eventual señal de aniquilación de materia oscura en una determinada dirección.
Al sumar los tres objetos, la señal alcanzó un valor estadístico TS de aproximadamente 30. Al incorporar los otros diez cúmulos, descendió a alrededor de 21, posiblemente porque esos objetos presentan una menor relación entre señal y ruido.
Lo particular del resultado no es simplemente que se hayan encontrado rayos gamma, algo habitual en numerosos procesos energéticos del Universo, sino que los fotones parecen acumularse en una franja energética muy estrecha. En condiciones normales, fenómenos como estrellas activas, agujeros negros o interacciones de rayos cósmicos suelen generar espectros distribuidos sobre un amplio rango de energías. Una “línea” de rayos gamma, en cambio, puede aparecer si un proceso produce fotones con una energía muy concreta.
Por esa razón, durante años estas líneas espectrales han sido consideradas una posible firma de aniquilación o desintegración de partículas de materia oscura. Sin embargo, el propio estudio introduce una dificultad importante. La misma señal de 43 GeV no aparece en la región interior de la Vía Láctea, donde también debería existir una importante concentración de materia oscura. Esto hace que una explicación basada en el modelo más sencillo de aniquilación de WIMPs tampoco encaje completamente con los datos.
Observaciones precedentes y proyecciones futuras
El indicio tampoco apareció por primera vez ahora. En 2016, un análisis anterior de datos de Fermi ya había encontrado una posible estructura cercana a los 43 GeV en la dirección de cúmulos de galaxias. Sin embargo, en ese entonces no alcanzó una significancia suficiente para considerarla una detección.
El nuevo trabajo muestra que la señal continúa presente al incorporar muchos más años de observaciones, aunque su intensidad no ha evolucionado de manera uniforme. De hecho, los investigadores identificaron una caída alrededor de 2016 seguida de un nuevo aumento con la acumulación posterior de datos. Este comportamiento obliga a mantener cautela y deja abiertas varias posibilidades, desde un fenómeno astrofísico todavía no explicado hasta modelos de materia oscura más complejos.
La confirmación requerirá nuevas observaciones con instrumentos capaces de medir estos fotones con mayor precisión. Los autores señalan como una posibilidad al proyecto Very Large Area Gamma-ray Space Telescope (VLAST), un observatorio propuesto para estudiar el cielo en rayos gamma con una aceptación muy superior y una resolución energética cercana al 1,3% alrededor de 50 GeV.
Según sus estimaciones, si la señal es realmente de origen cósmico, un instrumento de esas características podría verificarla en aproximadamente uno o dos años de operaciones. Hasta entonces, los datos de Fermi representan una pista especialmente interesante, pero todavía insuficiente para afirmar que la materia oscura finalmente haya sido detectada.
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