El telescopio espacial Fermi detecta rayos gamma que podrían proceder de la desintegración de partículas de materia oscura

Este trabajo se enmarca en los esfuerzos de la comunidad por desentrañar la naturaleza de la materia oscura –sin duda, uno de los mayores enigmas de la ciencia actual—a partir de señales indirectas en datos astrofísicos. En este caso, el estudio se centra en el WIMP, con mucho, el candidato más estudiado hasta ahora y preferido en la comunidad. Se espera que los WIMPs se aniquilen en zonas especialmente densas del universo, como nuestra propia galaxia, dando lugar a partículas del Modelo Estándar que podemos buscar, tales como los rayos gamma, la forma de luz más energética en el universo y objeto de este trabajo en particular. Tras un par de décadas de búsqueda ininterrumpida con nuestros telescopios de rayos gamma, no tenemos aún una señal clara de estos WIMPs, si bien ha habido y hay algunas evidencias potenciales a lo largo de los años, que no han podido ser del todo confirmadas pese a nuestros esfuerzos.   

La investigación del profesor Totani utiliza datos de rayos gamma recolectados por el satélite Fermi de la NASA en dirección a zonas intermedias de nuestra galaxia, que son analizados e interpretados de manera robusta mediante herramientas completamente estándares en el campo. El trabajo es, por tanto, de buena calidad y contiene abundantes checks que pueden reproducirse e interpretarse en un contexto de búsquedas de materia oscura en forma de WIMPs. El estudio contiene algunas novedades interesantes respecto a trabajos previos (por ejemplo: el uso de más años de datos, un tratamiento alternativo de algunas componentes de la emisión difusa galáctica en los ajustes, un suavizado espacial previo de los datos). De confirmarse el hallazgo, tendría unas repercusiones enormes tanto dentro de la comunidad como fuera de ella. Sería, sin duda, uno de los grandes descubrimientos en la historia de la ciencia.   

Lamentablemente, y pese a ser un trabajo serio y a muy tener en cuenta, sus conclusiones adolecen de grandes incertidumbres a día de hoy, de forma que resulta imposible afirmar que “es la primera vez que se ha visto la materia oscura”. Estas incertidumbres son fruto de nuestro conocimiento aún muy limitado acerca de la producción exacta de rayos gamma a través de fenómenos astrofísicos convencionales en diferentes zonas de nuestra galaxia. El estudio afirma que dichos procesos ‘convencionales’ son insuficientes para explicar el exceso de radiación gamma que se observa y que, por tanto, este exceso se debe a aniquilación de WIMPs. Sin embargo, existen degeneraciones muy importantes entre las diferentes componentes que sabemos contribuyen a la emisión difusa galáctica en este dominio de energía. Esto mismo ha llevado en el pasado a afirmar de manera similar en varias ocasiones que habíamos detectado la materia oscura, cuando en todos esos casos un estudio más detallado/completo concluyó que se trataba de astrofísica ‘convencional’ incorrectamente modelada. La excepción la constituye el exceso de emisión de rayos gamma que se observa en el centro galáctico, cuyo origen nos es aún desconocido unos quince años después de su descubrimiento (todavía una posibilidad real es que se deba a materia oscura). No es 100% seguro, por tanto, que i) exista el exceso de señal mencionado, teniendo en cuenta las incertidumbres actuales en el modelado de la emisión difusa, y que ii) dicho exceso, de existir, se deba a la materia oscura y a no a alguna otra componente astrofísica hasta ahora no considerada.   

Otras cuestiones igualmente relevantes arrojan dudas adicionales acerca de la interpretación del exceso observado en términos de materia oscura. Para explicar dicho exceso con WIMPs, tal y como se plantea en el trabajo, estos deberían aniquilarse a una tasa aproximadamente un factor diez más elevada que lo esperado (es decir, si quisiéramos explicar la totalidad de la materia oscura en forma de WIMPs). Esta tasa de aniquilación tan elevada entra, además, en conflicto serio con las cotas más robustas que tenemos sobre el WIMP en la actualidad y que hemos conseguido derivar a partir de observaciones de galaxias enanas (los mejores objetos para este tipo de búsqueda). El exceso entendido como aniquilación de WIMPs también requeriría que la distribución de materia oscura en la galaxia fuera especialmente atípica e inesperada, al implicar un cambio brusco de la misma en las zonas más cercanas al centro galáctico, para no entrar en conflicto con nuestras observaciones gamma en esa zona. 

¿La investigación es de buena calidad?  

“Sí. Es de buena calidad. Sigue los estándares y las conclusiones están discutidas conforme a estos”.   

¿Qué implicaciones tiene este hallazgo? 
 
“Depende de si la explicación de que los gamma son producidos por desintegración de materia oscura se confirma en el futuro. Si se confirmase, entonces sería muy importante porque permitiría identificar qué modelos físicos de materia oscura son viables y cuáles no lo son. Pero estamos lejos de que pueda hacerse esta confirmación”.  

¿Es correcto decir, como en la nota de prensa, que podría ser “primera vez que se ha ‘visto’ la materia oscura”? 
 
“No es correcto, ni es lo que dice al autor del trabajo en el artículo científico. Solo dice que se ha detectado un exceso en rayos gamma un poco fuera del centro galáctico que podría ser compatible con la desintegración de partículas de materia oscura.     

Tampoco es la ‘primera vez’ en detectar un exceso en rayos gamma en la Vía Láctea. El autor menciona trabajos anteriores en su artículo: 'The so-called GC GeV excess with a sharp morphological peak at the GC, which may be a result of dark matter annihilation, has been found around a photon energy of a few GeV [7, 8, 35, 36]’ (GC significa centro galáctico de la Vía Láctea)”.    
 
¿Tiene alguna limitación importante que haya que tener en cuenta? 
 
“Muchas, como casi siempre en astrofísica. El trabajo interpreta una señal que puede ser causada por fuentes astrofísicas convencionales y por la desintegración de materia oscura. Hay que modelar ambas cosas para concluir que la señal observada es incompatible con las fuentes conocidas y compatible con lo esperable de la materia oscura. Ambos modelados son muy inciertos. Hay incertidumbre en la contribución de las fuentes astrofísicas (por ejemplo, Fermi Bubbles) e incertidumbre en la señal esperable de la materia oscura (por ejemplo, se desconoce la distribución y densidad del halo de materia oscura de la Vía Láctea)”. 

"La búsqueda de la materia oscura, cuya existencia en forma de partículas es solo una hipótesis sin contraste experimental, es una de las búsquedas más difíciles a las que se ha enfrentado la Física en los últimos 100 años; es uno de los ‘santos griales’ de la Física que, hasta la fecha, ha resultado infructuosa. El satélite de rayos gamma Fermi de la NASA lleva operando más de 15 años, siendo unos de sus objetivos la identificación de rayos gamma hipotéticamente producidos por la aniquilación de partículas de materia oscura. La colaboración internacional Fermi, formada por aproximadamente por 150 científicos de todo el mundo (no solo de la NASA), es de las que mejor conocen el experimento, y la que más tiempo ha dedicado a estudiar la región de la galaxia a la que se refiere el artículo. Es una región especialmente complicada por la cantidad de fuentes y procesos ‘estándar’ que pueden dar lugar a rayos gamma que podrían imitar a aquellos provenientes de materia oscura.   

Dicha colaboración lleva todo este tiempo buscando evidencias de materia oscura en distintas regiones del cielo, incluida nuestra galaxia, realizando análisis muy cuidadosos, contrastados por decenas de expertos. Y no ha encontrado ninguna evidencia estadísticamente significativa de rayos gamma provenientes de materia oscura. Si lo hubiera hecho, el anuncio llegaría de forma oficial por parte de la NASA, se hubiera enviado a Nature y significaría un premio Nobel al año siguiente.     

Dicho todo esto, la colaboración internacional Fermi pone a disposición pública la información de todos los rayos gamma que ha observado para que investigadores externos a la colaboración, como es el caso del autor de este trabajo, puedan analizarlos. En algunas ocasiones, alguno de estos investigadores ha encontrado alguna detección ‘menor’ (no relacionada con la materia oscura) que se les había paso por alto a los investigadores de la colaboración Fermi, pero tratándose de una búsqueda tan codiciada, me resultaría muy extraño que esta detección de rayos gamma producidos por partículas de materia oscura se les hubiera pasado por alto”. 

¿La investigación es de buena calidad?    

“No demasiado”.  

¿Encaja con la evidencia existente?   

“No. El mismo autor dice que la media que obtiene está fuera de los límites de exclusión obtenidos por la colaboración Fermi”. 

¿Qué implicaciones tiene este hallazgo?   

“Si lo confirmara oficialmente la colaboración Fermi, cosa que dudo mucho, y de la única de la que yo personalmente me fiaría, sería efectivamente encontrar uno de los santos griales de la Física, abriría la puerta a Física más allá del Modelo Estándar de física de partículas, etc.”     

¿Es correcto decir, como en la nota de prensa, que podría ser la “primera vez que se ha “visto” la materia oscura”? 

“No, en el sentido de que no se ha visto, sino que se propone como un indicio, que yo consideraría poco fiable. Y ya ha habido en los últimos 20 años más indicios de materia oscura, que finalmente han sido descartados”.