La materia oscura y el enigma de la estrella KIC 8462852

Dibujo20160810 KIC 8462852 star relative flux decay

Hace unos días me pidieron en Twitter una explicación para “el enigma de la estrella KIC 8462852” (Blog Eureka). Contesté, que no tengo ni idea. Sin embargo, la materia oscura podría explicar la disminución continua del brillo de una estrella, en concreto, una partícula pseudoescalar de tipo axión (ALP). Estos axiones se acumularían en el núcleo de una estrella y le robarían energía, enfriándola y reduciendo su brillo. Se ha observado dicha disminución en ciertas estrellas (enanas blancas de brillo variable, gigantes rojas, etc.). ¿Por qué no podría ocurrir lo mismo con KIC 8462852, una estrella de la secuencia principal de tipo F3 cuyo brillo debería ser constante?

Por supuesto, se trata de una hipótesis muy exótica y poco plausible. Máxime cuando no explica el porqué KIC 8462852 es tan excepcional entre el medio millón de estrellas que observa el telescopio espacial Kepler de la NASA. Aún así, el físico Maurizio Giannotti (Instituto Max Planck de Física, Munich, Alemania) y sus colegas seguro que estarán encantados de aplicar sus ideas a dicha estrella tan enigmática. Supongo que no tardarán mucho tiempo en hacerlo.

La misteriosa disminución del brillo se muestra en Benjamin T. Montet, Joshua D. Simon, “KIC 8462852 Faded Throughout the Kepler Mission,” arXiv:1608.01316 [astro-ph.SR]. La propuesta de usar ALP para explicar la disminución de brillo aparece en Maurizio Giannotti, Igor Irastorza, Javier Redondo, Andreas Ringwald, “Cool WISPs for stellar cooling excesses,” JCAP 05: 057 (2016), doi: 10.1088/1475-7516/2016/05/057, arXiv:1512.08108 [astro-ph.HE]. Ha presentado su idea en el ICHEP 2016 [contrib]. Más información divulgativa en Emily Conover, “Cooling stars hint at dark matter particles,” New Scientist, 09 Aug 2016.

[PS 12 Ago 2016] Las figuras de más abajo están extraídas de Daniele Montanino, “Limits on cosmic ALPs background from cosmic reionization,” Planck 2016, 23-27 May 2016 [PDF slides], y de Alessandro Mirizzi, “Gamma-ray limit on axion-like particles from supernovae,” Planck 2016, 23-27 May 2016 [PDF slides].

Dibujo20160812 axion like particles copuling to photon under magnetic field

Tanto los axiones (predichos por la QCD) como las partículas pseudoescalares tipo axión (ALP) se acoplan al fotón. Se pueden observar gracias a que un fotón bajo un campo magnético intenso se transforma en estas partículas. La diferencia entre los axiones QCD y las ALP es que en los primeros dicho acoplamiento depende de su masa, mientras que en las segundas es independiente de la masa.

Dibujo20160812 ultra light pseudo scalar axion like particles coupling with photons

Para buscar los axiones se recurre a experimentos similares a los que observan la oscilación de los neutrinos. Tanto experimentos que observan un defecto (de neutrinos de cierto tipo) como un exceso (de neutrinos de otro tipo). Cuando un fotón se propaga en un campo magnético intenso se transforma en un axión emitiendo un fotón virtual, que más tarde se desintegra en un fotón por captura de un fotón virtual, y así de forma sucesiva, como ilustra este diagrama de Feynman.

Dibujo20160812 limits pseudo scalar axion like particles coupling

El acoplamiento de los axiones QCD con el fotón es tan pequeño para pequeñas masas (por debajo de la masa del neutrino) que su observación es casi imposible. Sin embargo, el acoplamiento de las ALP no está restringido por su masa y podría ser muchos órdenes de magnitud mayor. Por ello la mayoría de las búsquedas de estas partículas pseudoescalares se están dedicando a excluir a las ALP en lugar del axión. Esta figura presenta un resumen de los límites astrofísicos para los ALP, con la masa en el eje horizontal y el acoplamiento al fotón en el eje vertical. Hay varios excesos en el espectro de fotones observado por telescopios espaciales, tanto en cúmulos galácticos, como el centro de las galaxias, que podrían explicarse recurriendo a las ALP. Aunque también podrían tener explicaciones astrofísicas menos exóticas.

Dibujo20160812 direct search limits pseudo scalar axion like particles coupling

La búsqueda directa de los axiones y las ALP con experimentos específicos (como CAST y ADMX) también nos ofrece límites de exclusión para estas partículas. De nuevo en el eje de las abcisas tenemos la masa y el de las ordenadas el acoplamiento al fotón. Hay mucho hueco en el espacio de parámetros en el que se podrían ocultar estas partículas candidatas a materia oscura.

Dibujo20160812 regions in the parameter space hinted by the observed cooling anomalies

Hay indicios de que algunas estrellas se están enfriando un poco más rápido de lo que predicen los modelos teóricos de enfriamiento estelar. Estrellas de todo tipo, desde enanas blancas (WD-DA y WD-DB en la figura), a gigantes rojas (RGB), estrellas de la secuencia principal (HB), incluido el Sol (SUN), e incluso estrellas de neutrones remanentes de supernovas (NS). No es una desviación alarmante, siendo la mayoría de los casos de poco más de una sola sigma de confianza estadística; por ello muchos astrofísicos consideran que podría ser debida a fluctuaciones estadísticas en los datos.

La propuesta de Giannotti y sus colegas es que la razón es la presencia en su núcleo de partículas con interacción débil tipo WISP (Weakly Interacting Slim Particles). Estas partículas robarían calor del núcleo ya que pueden atravesar la estrella casi sin obstáculos. Se han propuesto muchas WISP (neutrinos estériles, fotones oscuros, nuevas partículas cargadas de baja masa), pero el trabajo de Giannotti y sus colegas apunta a que el candidato más firme a explicar este fenómeno estelar son las ALP.

Como ocurre muchas veces con la astrofísica de partículas, es posible que los indicios observados sean espurios, o bien que tengan su origen en que aún ignoramos ciertos detalles en el mecanismo de enfriamiento estelar. Recurrir a la existencia de partículas aún no observadas es un recurso que gusta a los físicos de partículas, pero que desagrada a muchos astrofísicos. Aún así, como a toda tortilla, se le puede dar la vuelta al argumento. Se pueden proponer nuevos límites de exclusión para las WISP (y las ALP, en concreto) en base a las observaciones astrofísicas.

En resumen, aunque el origen de esta entrada era una hipótesis sugerente para resolver el misterio de la estrella KIC 8462852, espero haber aprovechado la excusa para recordarte la importancia de la astrofísica de partículas para ofrecer nuevos límites de exclusión a nueva física más allá del modelo estándar.


1 Comentario

Participa Suscríbete

U-95U-95

Sí, ese es el problema que solo se vea en una y no en tantas, por ejemplo en la región del centro galáctico donde hay quién sugiere que hay materia oscura cayendo y aniquilándose.

Deja un comentario

Tu email nunca será mostrado o compartido. No olvides rellenar los campos obligatorios.

Obligatorio
Obligatorio
Obligatorio

You may use these HTML tags and attributes: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>