¿En qué consiste el huracán de materia oscura que se dirige hacia el Sistema Solar?

Chorro de materia oscura S1 atravesando el torrente estelar | imagen Evans, Belokurov, et al. Phys Rev

Los propios investigadores responsables del estudio lo han llamado así, “huracán de materia oscura”, y ante una denominación tan jugosa no es de extrañar que hayan aparecido incontables titulares en los medios, convirtiéndose además en una de las publicaciones científicas más interesantes de toda la semana. Contactamos con Francis Villatoro, físico, matemático y uno de los científicos más conocidos en la red, para entender con detenimiento en qué consiste este torrente de materia oscura que se dirige hacia nuestro vecindario solar.

“Para empezar no nos dejemos confundir por ‘huracán de materia oscura’, el término elegido para denominar este fenómeno, recordemos que la materia oscura es materia transparente que nos atraviesa de forma continua sin que notemos absolutamente nada (como ocurre con los neutrinos)”, apunta Villatoro.

La materia oscura es una de las grandes desconocidas de la Física actual, compone una gran parte de todo lo que existe en el Universo y aún así no podemos verla o detectarla directamente. Sabemos que está ahí por los efectos gravitacionales que tiene sobre otros grandes objetos estelares y galaxias pero apenas sabemos nada de su composición.

Una forma sencilla de explicar qué es la materia oscura sería imaginar una habitación oscura con un colchón. Estamos sentados en el colchón y aunque no podemos ver nada, sí podemos sentir cuando alguien se sienta en él. Hasta ahora no hemos conseguido detectar o ver directamente materia oscura, ni tampoco sabemos de qué está compuesta, pero al igual que el colchón del ejemplo, podemos detectarla porque afecta gravitatoriamente su entorno.

Imagen del cluster galáctico CL0024+17 | NASA, ESA, M. J. Jee and H. Ford et al.

Para entender en profundidad qué significa este trabajo publicado tenemos que comenzar nuestro artículo volviendo atrás hace algunos años. En 2013 se lanzó el Telescopio espacial GAIA de la Agencia Espacial Europea cuyo objetivo era realizar un catálogo de aproximadamente mil millones de estrellas de nuestra galaxia. El trabajo de GAIA nos está proporcionando datos muy interesantes de las estrellas que se encuentran a nuestro alrededor.

“Gracias a este mapa estelar de GAIA, estamos descubriendo que existen grupos de estrellas que se comportan de manera algo extraña. Los científicos buscan estrellas que se mueven muy rápido o estrellas que se desplazan en el sentido contrario al que se mueve el sol y la mayoría de estrellas en nuestra Vía Láctea”, explica Villatoro.

“En este caso, se trata de estrellas que rotan alrededor del centro galáctico en la dirección contraria que el resto. Este tipo de estrellas suelen moverse en grupos y durante estos últimos cuatro años ya hemos detectado varios de ellos”.

Los científicos los han denominado “chorros de estrellas” y uno de los equipos que ha detectado estas agrupaciones de estrellas que se mueven “a contracorriente” ha utilizado los datos de GAIA (DR1) complementándolos con datos del mapeado del cielo de SLOAN (es un clásico mapa de estrellas). De esta manera, combinando ambos datos se han descubierto cuatro estructuras asociadas claramente a chorros de estrellas (S1, S2, S3, S4).

Localización del chorro estelar S1 respecto del centro de la galaxia | imagen Ciaran A. J. O’Hare, Christopher McCabe, et al.

El chorro de estrellas denominado S1 es el que más estrellas reúne, un total de 94 estrellas, y es el que los investigadores de esta semana han llamado “huracán de materia oscura”. Por supuesto, hay que dejar muy claro que son estrellas muy lejanas, que no tendrán ninguna consecuencia en nosotros, pero que científicamente son interesantes porque nos sirven de claro indicativo de que hay un torrente de materia oscura pasando a través del Sistema Solar.

¿Cómo se interpretan estos chorros de estrellas?

La idea más asentada es que estos chorros de estrellas que se desplazan en dirección contraria a la mayoría son producto del canibalismo galáctico, es decir, cuando se creó la Vía Láctea básicamente se quedó un conjunto de pequeñas galaxias que fueron chocando entre ellas y haciendo crecer una galaxia central que terminaría convirtiéndose en la Vía Láctea. Hoy en día, aún podemos observar algunas de esas galaxias enanas satélites que quedaron desde la formación, las más célebres son las nubes de Magallanes, pero hay muchas otras. El chorro más famoso es el de Sagitario, un torrente enorme que sale fuera del plano galáctico.

Hasta ahora solo hemos conseguido detectar materia oscura por sus efectos gravitacionales. La materia oscura en nuestro entorno, en el ámbito del Sistema Solar e incluso hacia el centro de la galaxia, ahora mismo es indetectable para nuestra tecnología. Hay demasiada materia bariónica (materia normal) como para poder detectar los pequeños efectos que produciría la materia oscura. Por el momento tenemos que conformarnos con detectar materia oscura en las galaxias y cúmulos siempre muy lejos de nuestro disco galáctico.

Sin embargo, el chorro S1 podría ayudarnos con ese problema…

Los modelos por ordenador que estudian cómo se producen estos procesos de interacción entre galaxias pequeñas y galaxias grandes, y también los modelos de formación de galaxias, nos señalan que estas pequeñas galaxias enanas están dominadas por materia oscura y por tanto en estas interacciones entre galaxias es posible que en esos chorros de estrellas (recordemos que solo vemos las estrellas) también haya una gran cantidad de materia oscura.

La idea del estudio empieza con un hecho interesante: estos chorros de estrellas están aproximadamente a la misma distancia del centro de la galaxia que nuestro Sol. La velocidad de esas estrellas es similar a la velocidad del Sol, pero como se mueven en dirección contraria, entonces se suman ambas velocidades y resulta que, en relación al Sol, estas estrellas se mueven al doble de velocidad que nuestra estrella. Es decir, si el Sol se mueve a unos 230 kilómetros por segundo, este torrente de estrellas se están moviendo al doble de esa velocidad, casi unos 500 kilómetros por segundo respecto al Sol… de ahí el nombre de “huracán” que los investigadores le han dado a este torrente de estrellas.

“Hay que dejar claro que en todas estas investigaciones lo que observamos son estrellas, no se ha detectado materia oscura”, explica Villatoro. “Trabajamos bajo la hipótesis de que exista esa materia oscura asociada a estos chorros de estrellas, y si es así, nos resultaría muy útil para la búsqueda de materia oscura aquí en la Tierra con métodos de detección directos”.

La materia oscura tradicionalmente se ha detectado de manera indirecta por su interacción a gran escala en galaxias y otros conjuntos masivos, pero detectarla directamente resulta tan complicado que aún no lo hemos conseguido. Existe un método de detección directa y es que las partículas de materia oscura choquen contra el núcleo de un átomo en un detector, de manera similar a lo que ocurre con los detectores de neutrinos. La partícula (en este caso un neutrino) llegaría del espacio, con suerte chocaría contra un protón o un neutrón del núcleo de un átomo dentro del detector y ese impacto se traduciría en una partícula cargada (básicamente un electrón o un muón) que produciría un cono de Cherenkov que podríamos detectar.

Detector de neutrinos Super Kamiokande en Japón | JXC

Muchos detectores de materia oscura se basan en ese mismo concepto. Las partículas de la materia oscura chocarían contra un núcleo de uno de los átomos dentro del detector (puede ser xenon, sodio, etc) y generarían una partícula cargada que deja una señal visible que podemos analizar. En esos momentos de detección si asumimos que hay chorros de partículas de materia oscura a unos 500 kilómetros por segundo respecto a la velocidad del Sol, entonces las probabilidades de detectar una de estas partículas aumentan. Las opciones de detectarlas son ahora mayores puesto que van más rápido y se mueven en dirección contraria.

En resumen, esperamos que nuestro Sistema Solar, y por tanto los diferentes detectores de materia oscura instalados en la Tierra, experimenten un flujo adicional de partículas de materia oscura, puesto que se desplazan en ese torrente S1, a contracorriente y a más velocidad que la materia oscura que nos rodea. Para los investigadores este “huracán” de materia oscura representa una gran oportunidad de detectar y estudiar, por fin, las partículas que componen uno de los elementos más misteriosos de nuestro Universo.

Referencias científicas y más información:

Ciaran A. J. O’Hare, Christopher McCabe, N. Wyn Evans, GyuChul Myeong, and Vasily Belokurov “Dark matter hurricane: Measuring the S1 stream with dark matter detectors” Phys. Rev. D 98, 103006

Alan  Duffy Researchers brace for dark matter ‘hurricane’ Cosmos Magazine

G C Myeong  N W Evans  V Belokurov  N C Amorisco  S E Koposov “Halo substructure in the SDSS–Gaia catalogue: streams and clumps” Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 475, Issue 2, 1 April 2018, Pages 1537–1548, DOI:10.1093/mnras/stx3262

Muchas gracias al profesor Francis Villatoro por su ayuda en la elaboración de este reportaje y por supuesto, os recomiendo su blog y su artículo sobre este tema.