Descifrando los rayos gamma del corazón de Andrómeda.

• Título: A Multi-Wavelength Analysis of Annihilating Dark Matter as the Origin of the Gamma-Ray Emission from M31
• Autores: Alex McDaniel, Tesla Jeltema, and Stefano Profumo
• Institución de primer autor: Departamento de Física, Universidad de California, Santa Cruz, Estados Unidos.
• Estado: Publicado en Physics Review el 31 de mayo de 2018.
• Astrobite original: Deciphering Gamma-rays from the heat of Andromeda por Nora Shipp

Nuestra galaxia está llena de fotones de muy alta energía conocidos como rayos gamma. Estos fotones provienen de púlsares y rayos cósmicos; incluso llegan de agujeros negros supermasivos y de explosiones energéticas de galaxias distantes. Sin embargo, algunos de los rayos gamma más intrigantes no son los que viajaron miles de millones de años desde estas galaxias distantes para llegar hasta nosotros, sino los misteriosos rayos gamma que provienen del centro de nuestra propia galaxia y que no se pueden explicar ni teniendo en cuenta todas las fuentes mencionadas.

Figura 1. El mapa de fondo muestra el cielo en rayos gamma. La región central brillante es nuestra galaxia, la Vía Láctea. Una vez que se tienen en cuenta todas las fuentes conocidas de rayos gamma, nos queda una señal de exceso en el centro galáctico, que se muestra en la zona ampliada. (Fuente: NASA, Colaboración Fermi-LAT).

El origen de estos rayos gamma ha sido muy debatido por años, pero una de las posibilidades más excitantes es que vienen de la aniquilación de partículas de materia oscura. Si éste es el caso, entonces sería un gran descubrimiento – ¡la primera detección de materia oscura! Sin embargo, en este momento es imposible afirmar que se ha hecho tal descubrimiento. Los centenares de galaxias son regiones complejas llenas de física desordenada y es muy difícil descartar orígenes menos exóticos.

Una noticia reciente puede ayudarnos a aclarar este misterio – una señal similar fue detectada viniendo del centro de nuestra galaxia hermana, Andrómeda. El artículo de hoy estudia esta señal descubierta recientemente en Andrómeda y la señal del centro de nuestra galaxia para determinar si se pueden producir por aniquilación de materia oscura.

Figura 2. Nuestra galaxia hermana, Andrómeda. (Fuente, Adam Evans/Wikimedia Commons).

Los autores toman dos enfoques – en el primero, examinan si el mismo tipo de partícula de materia oscura pudo haber reproducido los rayos gamma observados en la Vía Láctea y en Andrómeda. En el segundo, ven si esta misma aniquilación de materia oscura también reproduce la señal de radio que viene de las regiones interiores de la galaxia Andrómeda.

En el primer enfoque, los autores usan el hecho de que los rayos gamma producidos a través de la aniquilación de materia oscura dependen de las propiedades de las propias partículas de materia oscura. Por ejemplo, las partículas más masivas de materia oscura deberían producir los rayos gamma de más alta energía, y las partículas que tienen más alta probabilidad de interacción deberían producir un mayor número de rayos gamma. Si los rayos gamma provienen mayoritariamente de la materia oscura, y no de complicados sistemas astrofísicos, las dos señales deberían verse muy similares. Sin embargo, el artículo de hoy encuentra que los rayos gamma de Andrómeda probablemente provienen de partículas de materia oscura de más baja masa que los rayos gamma de nuestro propio centro galáctico (Figura 3).

Figura 3. Señales de rayos gamma predichas para diferentes modelos de materia oscura, comparados con las rayos gamma observado de Andrómeda. Los datos están graficados en morado. Las curvas azul, verde y amarilla muestran la cantidad de rayos gamma esperados a diferentes energías para cada modelo. Las líneas sólidas corresponden a un modelo de materia oscura de menor masa, las líneas punteadas corresponden a modelos de masa superior. Los datos más cercanos coinciden mejor con las líneas sólidas, que representan una masa menor. (Fuente: Figura 1 el artículo original).

El segundo enfoque que toma este artículo consiste en comparar las observaciones de rayos gamma y radio de Andrómeda. La aniquilación de materia oscura produce cascadas de partículas, que incluyen electrones y sus antipartículas, los positrones. Cuando estas partículas cargadas viajan a través de los campos magnéticos de las galaxias emiten radiación sincrotón en radio. Por lo tanto, si la materia oscura es aniquilada en el centro de la galaxia Andrómeda, deberíamos ver ambas  emisiones: rayos gamma y emisión sincrotrón en radio. Esta comparación es un poco más complicada, porque la emisión en radio no sólo depende de la materia oscura, sino que también depende del campo magnético del centro galáctico, y de qué tan fácilmente las partículas cargadas se difunden a través de la galaxia. Asumiendo valores típicos de la intensidad del campo magnético y de los parámetros de difusión, los autores encuentran que la aniquilación de materia oscura debería estar produciendo mucha más emisión de radio de lo que vemos desde la región central de Andrómeda (Figura 4).

Figura 4. Comparación entre emisión en rayos gamma y radio. Las líneas azul y verde indican emisión en rayos gamma y emisión sincrotrón en radio para diferentes modelos de materia oscura. Cuando los modelos se ajustan para que coincidan con los datos de rayos gamma (violeta), no coinciden con los datos de radio (rojo). (Fuente: figura 5 del artículo original)

Estos conflictos complican un poco las cosas para la hipótesis de aniquilación de materia oscura, pero no la descartan completamente. Es importante recordar qué tan complejos son los centros de las galaxias. Ciertamente no tenemos un completo entendimiento de los campos magnéticos y del comportamiento de las partículas cargadas del centro de Andrómeda. Adicionalmente, es muy difícil predecir la densidad de materia oscura en el centro galáctico, y esto es clave para determinar qué tan frecuentemente las partículas de materia oscura deberían encontrarse y aniquilarse. Este estudio, sin embargo, es un gran ejemplo del poder de combinar diferentes tipos de observaciones. Continuar el estudio de los centros galácticos a todas las longitudes de onda proporcionará mejores restricciones del origen de estas misteriosas señales de rayos gamma.