Hoy está un poco más negro el Sol — ¿Estará escupiendo materia oscura?


300px-TracemosaicVamos a entretenernos en intentar entender el artículo que nos dice que han visto la materia oscura, en forma de axiones, que sale del sol.  Esta es la noticia que está circulando por los medios haciéndose eco del artículo:

Potential solar axion signatures in X-ray observations with the  XMM-Newton observatory 

Si queréis refrescar qué es eso de la materia oscura aquí tenéis dos enlaces:

Arrojando luz sobre la materia oscura I

Arrojando luz sobre la materia oscura II

Para conocer un poco a nuestros amigos los axiones:

Materia oscura — Toma Uno — Claqueta — Axión

Pues nada, vamos a la tarea.

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Para una introducción al tema:  ¿Qué es la materia oscura? ¿Acabamos de detectarla por primera vez? de Alberto Sicilia.

¿Cómo detectar lo indetectable?

En física se han propuesto mil veces, y seguirá siendo así, cosas que en principio no se podían detectar.  Ejemplos los hay a patadas, ondas electromagnéticas, neutrinos, quarks, etc.  Cuando en física se dice que algo no es detectable hay que tener cuidado con el significado, generalmente significa que en el estado de la tecnología de ese tiempo no se conoce ningún método para detectar tal o cual partícula.  Con el tiempo no solo las detectamos sino que acabamos construyendo cañones con esas cosas, por ejemplo con los neutrinos.

A mí no me ha gustado mucho casi nunca el hecho de decir que algo es “indetectable”.  Más bien lo que habría que decir es que vamos a tener que ser muy listos para detectarlo.   Hay que entender que si una teoría hace una predicción de que existe esta partícula, con esta masa, carga, espín y con estas interacciones es solo cuestión de tiempo que aprendamos a detectarla.  Esa es la grandeza de este juego. En fin…

La materia oscura se caracteriza por ser materia conformada por partículas que tienen poca tendencia a interactuar con las partículas usuales que nos conforman y nos rodean.   No sabemos qué es la materia oscura, qué la conforma, pero sí sabemos que existe y sabemos como identificarla.  De hecho sabemos tanto como para afirmar que el contenido de nuestro universo es:

Contenido de materia/energía en el universo según los datos de PLANCK
tContenido de materia/energía en el universo según los datos de PLANCK

Los axiones son difíciles de detectar

Los axiones son partículas propuestas para resolver el problema CP fuerte como explicamos en la anterior entrada.  Estas partículas tiene las siguiente propiedades:

  • No tienen carga eléctrica.
  • Son muy ligeros.
  • Tienen espín nulo (en realidad son pseudo-escalares, pero eso es un detalle técnico) como el bosón de Higgs.
  • Interactúan muy débilmente con el resto de partículas conocidas.

Sin embargo, hay un proceso que aunque no es muy abundante podría arrojar luz sobre sistemas productores de axiones.  Los axiones pueden acelerar a un electrón y si dicho electrón está inmerso en un campo magnético esta aceleración le hará emitir ondas electromagnéticas por un proceso conocido como bremsstrahlung. También se puede generar esta radiación electromagnética, en el rango de los rayos X a través de un proceso Compton inverso. Si quieres saber la forma de generar rayos X en un contexto astrofísico te recomiendo esta entrada:  Astronomía de Rayos X.

Resumiendo:

Si hay una fuente de axiones, un medio rico en electrones y un campo magnético intenso podríamos intentar detectar estos axiones.

Evidentemente, esto es complicado debido a la baja tasa de interacción de los axiones. Por eso es difícil discriminar si un proceso es debido a ellos o no.

¿Tenemos cerca una situación así?

Pues sí, por un lado tenemos la Tierra que genera a su alrededor un campo magnético. Este campo magnético nos protege de ser alcanzados por partículas cargadas, electrones y protones, de alta energía. Estas partículas son emitidas por el Sol y nuestro campo magnético las dispersa por ahí impidiendo que lleguen a la superficie.

Campo magnético producido por la Tierra

Campo magnético producido por la Tierra

Por otro lado tenemos el Sol, esta estrella emite partículas cargadas y también tiene un campo electromagnético. Por lo que la situación total es más o menos así:

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Se supone que los axiones se pueden dar en procesos nucleares en el interior de las estrellas, por ejemplo nuestro Sol.  Esto es una buena noticia porque la producción de axiones, producción que consume energía, tiene una gran influencia en la estructura y evolución estelar.  Dado que cada vez sabemos más acerca de la estructura y la evolución de las estrellas podemos acotar cuanta energía se consume en crear axiones en estos objetos astrofísicos.  Con lo que sabemos ahora los axiones deben de ser muy ligeros y de muy baja interacción con otras partículas como se imaginaba.  Para más detalles sobre la producción y las cotas sobre los axiones en un contexto estelar:  Searches for the axion.

El truco está en que si el Sol está emitiendo axiones y estos se dirigen a la Tierra y tenemos la suerte de que interaccionen con un electrón, lo cual es difícil y pasa muy poco, estos electrones acelerarán en el seno del campo magnético de la Tierra y emitirán rayos X que serán detectados por un satélite — El XMM-Newton — dispuesto específicamente para esa tarea:

Los axiones producidos por el Sol podrán encontrarse con un electrón y con un poco de mucha suerte interactuar con ellos.  Los electrones aceleran por un efecto Compton inverso y emiten rayos X que serán detectados por un satélite.
Los axiones producidos por el Sol podrán encontrarse con un electrón y con un poco de mucha suerte interactuar con ellos. Los electrones aceleran por un efecto Compton inverso y emiten rayos X que serán detectados por un satélite.

¿Qué dice el artículo?

En el artículo dicen que han encontrado este tipo de señales y que dichas señales son compatibles con la presencia de axiones producidos en el Sol.

No está nada mal, ¿verdad?

De ser cierto esta sería la primera vez en la que tenemos una medida indirecta de los axiones en física.

Pero antes de lanzar las campanas al vuelo sería muy recomendable leer el propio artículo donde, de una forma muy acertada, explican que:

  1. Este efecto puede ser debido a otros mecanismos como por ejemplo los relacionados con la presencia de protones en el medio interestelar.
  2. Esto solo es un magnífico primer paso para diluciar el problema de los axiones en física.  Pero quedan muchos experimentos y observaciones por cotejar.

Así que, a la pregunta ¿hemos detectado axiones procedentes del Sol que pueden ser materia oscura?  La respuesta sería, puede que sí o puede que no.  Sea lo que sea, el futuro va a ser apasionante en este tema.

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Nos seguimos leyendo…

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2 Respuestas a “Hoy está un poco más negro el Sol — ¿Estará escupiendo materia oscura?

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