Sobre el «huracán» de materia oscura que se acerca al Sol

El Sistema Solar está atravesando un «huracán» de materia oscura, asociado al torrente estelar S1. Que no te engañe el término, recuerda que la materia oscura es materia transparente que nos atraviesa de forma continua sin que notemos absolutamente nada (como ocurre con los neutrinos). Se publica en Physical Review D una estimación de su efecto potencial en la búsqueda directa de materia oscura, tanto partículas WIMP como axiones. Ciaran A. J. O’Hare (Universidad de Zaragoza, España) y sus colegas estiman cómo puede ayudar S1 para la detección de las partículas de materia oscura en los futuros detectores que operarán en la próxima década.

Gracias a los datos de Gaia DR1 (ESA) y SDSS DR9 (Sloan Digital Sky Survey) se han observado varios torrentes de estrellas (stellar streams). Su origen es el canibalismo galáctico, la interacción en el pasado entre galaxias satélites de la Vía Láctea con ella, con desprendimiento de gran número de estrellas formando un torrente o chorro; se supone que estas galaxias enanas están dominadas por la materia oscura, luego estos chorros de estrellas deberían estar acompañados de chorros de materia oscura. Como su velocidad respecto al plano galáctico es opuesta a la nuestra, se comportan como «huracanes» de materia oscura, aunque solo uno de ellos, S1, nos atraviesa ayudando a la búsqueda directa de la materia oscura.

El artículo es Ciaran A. J. O’Hare, Christopher McCabe, …, Vasily Belokurov, “A Dark Matter Hurricane: Measuring the S1 Stream with Dark Matter Detectors,” Phys. Rev. D 98: 103006 (07 Nov 2018), doi: 10.1103/PhysRevD.98.103006arXiv:1807.09004 [astro-ph.CO]; más información en Michael Schirber, “Synopsis: Dark Matter Blowing Like a Hurricane,” APS Physics, 07 Nov 2018, y en Alan Duffy (@astroduff), “Researchers brace for dark matter ‘hurricane’,” Cosmos, 13 Nov 2018. El artículo con el descubrimiento de los nuevos torrentes estelares es G. C. Myeong, N. W. Evans, …, S. Koposov, “Halo Substructure in the SDSS–Gaia Catalogue: Streams and Clumps,” Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 475: 1537-1548 (01 Apr 2018), doi: 10.1093/mnras/stx3262arXiv:1712.04071 [astro-ph.GA].

El análisis de los datos de Gaia DR1 y SDSS DR9 desvelan la existencia de cuatro chorros o torrentes (streams en inglés) de estrellas, S1 con 94 miembros, S2 con 61, S3 con 55 y S4 con 40, así como dos cúmulos estelares, C1 con 24 miembros y C2 con 12. S1, S3 y S4 tiene órbitas retrógradas, giran en dirección contraria respecto al centro galáctico que el Sol, mientras que S2, C1 y C2 rotan en el mismo sentido.

El torrente de estrellas S1 se mueve alrededor del centro galáctico (cruz roja abajo y cruz negra dentro de la esfera azulada arriba) en sentido retrógrado. Corresponde a una galaxia enana canibalizada por la Vía Láctea en un avanzado estado de desintegración (sus estrellas tienen una metalicidad de [Fe/H] = −1.78). El Sol (cruz azul) se encuentra en el pericentro de varias de sus ramas. La comparación de las observaciones con los resultados de simulaciones del canibalismo galáctico apuntan a que la masa de la galaxia enana progenitora era de unos ≈ 2 × 1010 M☉ (masas solares). Se cree que el episodio de canibalismo galáctico se inició hace unos diez mil millones de años.

El torrente de estrellas S2 se mueve alrededor del centro galáctico (cruz roja) en el mismo sentido que el Sol (cruz azul). Sus estrellas tienen una metalicidad [Fe/H] = −1.91. Las simulaciones por ordenador apuntan a que la masa de la galaxia enana progenitora era de unos ≈ 5 × 109 M☉ (masas solares) y que el episodio de canibalismo se inició hace unos once mil millones de años.

El artículo de Ciaran A. J. O’Hare (Univ. Zaragoza, España) y sus colegas estudia las implicaciones del torrente estelar S1 en la búsqueda directa de materia oscura en la Tierra (en la figura se muestran 34 estrellas). La velocidad retrógrada de S1 se estima en (8.6, −286.7, −67.9) km/s, mientras que el movimiento peculiar del Sol tiene una velocidad de (11.1, 12.24, 7.25) km/s, respecto a la velocidad de reposo estándar 232.8 km/s; por tanto, la materia oscura de S1 atraviesa el Sistema Solar a una velocidad 507,26 km/s (según estas estimaciones). Esta alta velocidad es la que permite calificarlo de forma poética como «huracán» de materia oscura.

Se estima que los futuros detectores de materia oscura basados en xenón LZ y DARWIN serán capaces de detectar esta materia oscura si está formada por partículas WIMP con masa entre 5 y 25 GeV/c². Recuerda que LZ (5.6 toneladas × 1000 días de exposición) es el futuro detector que reemplazará a LUX y que DARWIN (200 toneladas-año de exposición) reemplazará a XENON1T. Estos detectores no son direccionales, por lo que no sacan toda la ventaja posible de la existencia de materia oscura en el torrente estelar S1.

Esta figura muestra el potencial del futuro detector direccional de materia oscura CYGNUS, con un volumen de gas 4He:SF6 para la detección de 1000 m³ (también se ha concebido uno cien veces mayor). La figura de la izquierda para interacciones independientes del espín y la derecha para las dependientes del espín (este último caso significa que la partícula de materia oscura interacciona de forma diferente con el protón que con el neutrón en los núcleos del detector). Lo más interesante es que CYGNUS permite extender el límite de búsqueda por debajo hasta una masa de 0.8 GeV/c².

En mi opinión los límites de exclusión más interesantes del nuevo artículo de O’Hare y sus colegas son los relativos al axión. Se representan tres detectores, ABRACADABRA, ADMX y MADMAX, todos ellos direccionales. En esta figura no se muestra su sensibilidad actual, sino su proyección futura para los próximos años, pues la idea del nuevo artículo es que sirva de referencia para búsquedas futuras.

En resumen, un artículo muy interesante por su contenido, aunque haya llamado más la atención por su título. La búsqueda directa de la materia oscura continuará durante la próxima década. La estamos buscando donde podemos, y quizás no la encontremos porque no se encuentre ahí. Pero combinando todos los métodos posibles, acabaremos por darle caza. Sin lugar a dudas será uno de los grandes hitos de la ciencia del siglo XXI.



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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 18 noviembre, 2018
Categoría(s): ✓ Astrofísica • Ciencia • Física • Materia oscura • Noticia CPAN • Noticias • Physics • Science
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