¿Qué es la misteriosa señal de Perseo?

Una misteriosa señal en el rango de los rayos X detectada en el cúmulo de Perseo podría ser la primera prueba experimental de que existe la materia oscura.

En 2014 un equipo de astrónomos estadounidenses estaba estudiando las emisiones de rayos X de una serie de cúmulos de galaxias usando los datos obtenidos por los observatorios espaciales de rayos X Chandra de la NASA y XMM-Newton de la ESA. De repente apareció en los registros una misteriosa línea de emisión proveniente del centro de cúmulo de Perseo, un enjambre de galaxias a unos 250 millones de años luz de Tierra y uno de los más masivos en el Universo.

La astrónoma que la descubrió, Esra Bulbul del Harvard Center for Astrophysics, lo ha dejado bien claro: “No podía creer lo que veía", dijo. "A primera vista lo que hemos encontrado no es explicable por la física conocida". Lo que lo convierte en una rareza es que está inmerso en una enorme 'atmósfera' de plasma sobrecalentado. "Está lleno de iones de hierro, azufre, silicio... que sabemos que están ahí por las líneas que dejan en el espectro de luz”. Cada átomo, cada ión, emite energía en una serie de lugares definidos del espectro que reciben el nombre de líneas espectrales y que son características de cada uno: son las huellas dactilares de los elementos químicos. Pero lo que motivó la sorpresa de la astrofísica fue lo que descubrió cuando su equipo estudió 17 días de datos de Chandra: encontró una nueva línea espectral donde no debería haber ninguna: "apareció una línea a 3.56 keV que no corresponde a ninguna transición atómica conocida". Al principio, Bulbul no se creyó lo que estaba viendo. "Me llevó mucho tiempo convencerme de que esta línea no era un error del detector ni una línea atómica conocida".

La existencia de esa línea se confirmó más tarde cuando Bulbul usó el satélite XMM-Newton y encontró esa misma firma espectral en las emisiones de rayos X de otros 73 cúmulos de galaxias. Poco más de una semana después, un equipo de astrónomos dirigido por Alexey Boyarsky de la Universidad de Leiden la descubrió en nuestra vecina galaxia de Andrómeda. La realidad de la línea se confirmó aún más cuando el equipo de Bulbul encontró la misma firma espectral en las emisiones de rayos X de otros 73 cúmulos de galaxias en los datos recopilados por el XMM-Newton.

La línea espectral no podía ser emitida por ningún tipo de materia conocida así que los teóricos empezaron a jugar con sus ecuaciones. “Después de enviar el artículo, los teóricos propusieron alrededor de 60 tipos diferentes de materia oscura que podrían explicar esta línea”. Y añadió riendo: “Algunos físicos de partículas la bautizaron en broma como el 'bulbulón'”.

¿Prueba de materia oscura?

Pero de todas las posibilidades hubo una que tuvo más predicamento: los neutrinos estériles, un tipo de neutrino que invisible a todas las fuerzas fundamentales de la naturaleza salvo la gravedad.

La historia se enfangó más cuando en febrero 2016, los japoneses lanzaron el observatorio de rayos X Hitomi, especialmente diseñado para observar las líneas de emisión en rayos X de fuentes cósmicas: no detectó la esquiva emisión de 3,56 keV. Por desgracia no pudo volver a realizar nuevas medidas porque un mes después de su lanzamiento el satélite se perdió.

Pero en ese momento la trama dio un giro inesperado: los astrónomos descubrieron que Hitomi era incapaz de separar las dos componentes de emisión de rayos X que tenía el cúmulo de Perseo: por un lado, el componente difuso de gas caliente que envuelve a la enorme galaxia que ocupa el centro del cúmulo; por otro, la emisión de rayos X cerca del agujero negro supermasivo de esta galaxia. Cuando se corrigieron las observaciones teniendo en cuenta este detalle, el equipo de Bulbul volvió a quedarse con la boca abierta: en lugar de encontrar un exceso de emisión de rayos X a 3.5 keV, descubrieron que algo en Perseo estaba absorbiendo rayos X en esta línea. ¿Qué estaba pasando?

La conclusión a la que llegó el equipo de Bulbul es que hay una absorción de rayos X cuando se observa el superagujero negro y una emisión con la misma energía cuando se mira el gas caliente que rodea la galaxia. Curiosamente este comportamiento es bien conocido por los astrónomos, pues aparece cuando se observa una estrella rodeada por una nube de gas: si apuntamos a la estrella veremos una línea de absorción a una energía determinada, y si se observa solo el gas, aparece esa misma línea pero de emisión. Y al igual que sucede con las estrellas que presentan este peculiar patrón espectral, los investigadores creen que, en este caso, la materia oscura presenta dos estados de energía separados por 3.5 keV. ¿Pero realmente es así? ¿Esta anomalía en el espectro de emisión de rayos X del cúmulo de Perseo está provocada por la materia oscura? ¿Estamos ante la primera detección de la esquiva materia oscura? Solo el tiempo -y nuevas observaciones- lo dirán.

Referencia:

Bulbul, E. et al (2014) "Detection of an unidentified emission line in the stacked X-ray spectrum of galaxy clusters", Astrophysical Journal ,789:13

Miguel Ángel Sabadell

Miguel Ángel Sabadell

Astrofísico y doctor en física teórica. Miembro del Comité Editorial de Muy Interesante, es autor de catorce libros, más de 300 artículos y creador de una treintena de proyectos de divulgación científica. Es colaborador habitual en prensa, radio y televisión, y consultor para exposiciones temporales y museos.

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