Una posible señal de materia oscura

Una posible señal de materia oscura
Gracias a los observatorios de alta energía de la ESA y de la NASA, los astrónomos han descubierto una prometedora pista que podría estar relacionada con uno de los ingredientes más enigmáticos de nuestro Universo: la materia oscura.

Aunque en principio la materia oscura es invisible, ya que no emite ni absorbe luz, se puede detectar a través de su influencia gravitatoria sobre el movimiento y la apariencia de otros objetos del Universo, como las estrellas o las galaxias.

Basándose en estas medidas indirectas, los astrónomos calculan que la materia oscura es el tipo de materia más abundante en el Universo – y aún así sigue siendo una gran desconocida.

Al estudiar los cúmulos de galaxias, las mayores estructuras cósmicas cohesionadas por gravedad, se puede haber encontrado una nueva pista.

Los cúmulos de galaxias están formados por cientos de galaxias y por una enorme cantidad de gas caliente que rellena el espacio entre ellas.

Sin embargo, al estudiar los efectos gravitatorios de estos cúmulos se ha descubierto que las galaxias y el gas apenas constituyen una quinta parte de su masa total – se piensa que el resto es materia oscura.

El gas, principalmente hidrógeno, alcanza temperaturas de más de 10 millones de grados Celsius, lo que provoca que emita rayos X. Las trazas de los otros elementos imprimen ‘líneas’ adicionales en su espectro, a determinadas longitudes de onda.

Al estudiar las observaciones de 73 cúmulos de galaxias realizadas con los telescopios espaciales XMM-Newton de la ESA y Chandra de la NASA, los astrónomos han descubierto una enigmática línea en el espectro a una longitud de onda en la que normalmente no había nada.

“Si esta extraña señal estuviese relacionada con un elemento químico conocido, debería haber dejado otras líneas en el espectro, a las longitudes de onda habituales, pero no hay nada más”, explica la Dra. Esra Bulbul del Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian en Cambridge, Massachusetts, Estados Unidos, autora principal del artículo que presenta estas conclusiones.

“Tuvimos que buscar una explicación más allá del reino de la materia ordinaria”.

Los astrónomos piensan que esta enigmática emisión pudo haber sido provocada por el decaimiento de un tipo exótico de partícula subatómica conocida como ‘neutrino estéril’, predicha por la teoría pero que todavía no se ha detectado.

Los neutrinos ordinarios son partículas de muy baja masa que apenas interactúan con la materia, sólo a través de la fuerza nuclear débil o de la gravedad. Se piensa que los neutrinos estériles serían un tipo especial al que sólo afecta la gravedad, por lo que podrían ser uno de los componentes de la materia oscura.

“Si la interpretación de nuestras observaciones es correcta, al menos una parte de la materia oscura en los cúmulos de galaxias podría estar formada por neutrinos estériles”, comenta Bulbul.

Los cúmulos estudiados se encuentran a una distancia de entre cien millones de años luz y unos pocos miles de millones de años luz. La misteriosa señal fue detectada al combinar distintas observaciones de estos cúmulos, y en una imagen individual del Cúmulo de Perseo, una estructura masiva en nuestro vecindario cósmico.

Este descubrimiento podría tener grandes repercusiones, pero los investigadores prefieren ser cautos. Hará falta realizar nuevas observaciones de más cúmulos con telescopios de alta energía como XMM-Newton o Chandra para poder confirmar si realmente existe una conexión con la materia oscura.

“El descubrimiento de esta singular línea en el espectro de rayos X fue posible gracias al gran archivo de XMM-Newton y a la capacidad del observatorio para recoger rayos X a distintas longitudes de onda”, explica Norbert Schartel, Científico del Proyecto XMM-Newton para la ESA.

“Sería muy emocionante poder confirmar que XMM-Newton nos ha ayudado a encontrar la primera señal directa de la materia oscura”.

“Todavía falta mucho para llegar a ese punto, pero por el camino vamos a aprender mucho sobre el contenido de nuestro extravagante Universo”.

ESA

Nueva medida de la constante de gravitación universal

Nueva medida de la constante de gravitación universal
Hasta ahora, el valor de la constante de gravitación universal, que determina la intensidad de la atracción gravitatoria entre los cuerpos, era 6,67384(80) x 10-11 m3 kg-1 s-2, pero científicos italianos la han establecido en 6,67191(99) x 10-11 m3 kg-1 s-2. Para obtener el nuevo valor han utilizado átomos enfriados con láser y técnicas cuánticas de medición.

Los estudiantes de física saben que el valor de la letra G que se usa en la ley de la gravitación universal de Newton, cuya fórmula es F=G m1m2/r2, se ajusta a 6,67384(80) x 10-11 m3 kg-1 s-2 (las unidades también pueden ser N m2 kg-2). Sin embargo, un equipo de investigadores dirigidos desde la Universidad de Florencia (Italia) ha obtenido una medida ligeramente diferente.

Según publican esta semana en la revista Nature, la cifra es 6,67191(99) x 10-11 m3 kg-1 s-2, un resultado “muy importante” para avanzar hacia el establecimiento definitivo de un valor preciso absoluto de esta constante, un logro todavía pendiente.

Hasta ahora, se han hecho alrededor de 300 intentos para determinar G, la mayor parte de ellos mediante métodos de torsión similares a la balanza que utilizó Henry Cavendish en 1798, cuando calculó el valor mediante un experimento con una vara y dos esferas de plomo en sus extremos.

En las últimas décadas, aunque se ha ido incrementando la precisión de las mediciones, no se ha podido converger en un valor consistente y los resultados son discrepantes.

Esto sugiere la presencia de errores sistemáticos que todavía no se han identificado en los experimentos, aunque se piensa que están relacionados con las medidas de la atracción gravitacional entre masas macroscópicas.

En el nuevo trabajo, el equipo también ha utilizado un juego de masas macroscópicas como fuente del campo gravitatorio: cilindros de tungsteno de alrededor de 500 kilogramos. Sin embargo, el sensor de gravedad se compone de dos nubes de átomos de rubidio enfriados con láser, que suben y bajan en diferentes trayectorias según la gravedad conjunta de la Tierra y los cilindros de tungsteno.

Este cuidadoso diseño experimental, junto a las medidas cuánticas y la consideración de las fuentes de error, ha permitido obtener G con una precisión de aproximadamente el 0,015%, un poco menos que con otras mediciones y ligeramente desviado de lo que recomienda el denominado Committee on Data for Science and Technology (CODATA). Aun así lo que destacan los investigadores es el potencial de mejora que tiene la nueva técnica para llegar al valor definitivo.

SINC

Nuevas moléculas alrededor de viejas estrellas

Nuevas moléculas alrededor de viejas estrellas
Gracias al observatorio espacial Herschel de la ESA, los astrónomos han descubierto la presencia de una molécula fundamental para la formación del agua entre las brasas que dejan las estrellas como nuestro Sol en las últimas fases de su vida.

Cuando las estrellas de baja a media masa como nuestro Sol se acercan al final de sus vidas se convierten en enanas blancas, de mayor densidad. En este proceso se desprenden de sus capas de polvo y gas más externas, creando complejos patrones caleidoscópicos conocidos como nebulosas planetarias.

Estas estructuras no tienen nada que ver con los planetas, pero fueron bautizadas así a finales del siglo XVIII por el astrónomo William Herschel, ya que a través de su telescopio se veían como difusos objetos circulares, parecidos a los planetas de nuestro Sistema Solar.

Algo más de dos siglos más tarde, el observatorio espacial Herschel, tocayo de William Herschel, ha realizado un sorprendente descubrimiento al estudiar las nebulosas planetarias.

El canto del cisne de las estrellas que dan lugar a las nebulosas planetarias, al igual que las dramáticas explosiones de supernova de las estrellas más pesadas, también enriquecen el medio interestelar local con elementos a partir de los que se formarán las siguientes generaciones de estrellas.

Si bien las supernovas son capaces de forjar los elementos más pesados, las nebulosas planetarias contienen una gran proporción de ‘elementos de la vida’, como el carbono, el nitrógeno o el oxígeno, formados por fusión nuclear en la estrella moribunda.

Las estrellas como nuestro Sol queman hidrógeno de forma ininterrumpida durante miles de millones de años. Cuando se les empieza a terminar el combustible se hinchan hasta convertirse en gigantes rojas, un cuerpo inestable que empezará a expulsar sus capas más externas para formar una nebulosa planetaria.

Los restos del núcleo de la estrella se transforman en una enana blanca a gran temperatura, que baña su entorno con radiación ultravioleta.

Esta radiación tan intensa podría destruir las moléculas que habían sido expulsadas por la estrella en la fase anterior, y que ahora se encontrarían ligadas a los grumos o anillos de material que se pueden distinguir en la periferia de las nebulosas planetarias.

También se pensaba que esta radiación impediría la formación de nuevas moléculas en esta región.

Sin embargo, dos estudios independientes basados en las observaciones realizadas con Herschel han descubierto que una molécula fundamental para la formación del agua parece disfrutar de las condiciones de este entorno tan hostil, e incluso podría depender de ellas para formarse. Esta molécula, conocida como OH+, está formada por un átomo de oxígeno y uno de hidrógeno y tiene carga positiva.

En el estudio dirigido por la Dra. Isabel Alemán de la Universidad de Leiden, Países Bajos, se analizaron 11 nebulosas planetarias y esta molécula se detectó en tres de ellas.

Estas tres nebulosas tienen en común que albergan a las estrellas más calientes, cuyas temperaturas superan los 100.000 °C.

“Pensamos que la clave se encuentra en la presencia de densos grumos de polvo y gas, iluminados por la radiación ultravioleta y por los rayos X emitidos por la estrella central”, explica Isabel.

“Esta radiación de alta energía desencadena reacciones químicas en el seno de los grumos, dando lugar a la formación de la molécula OH+”

En paralelo, otro estudio dirigido por la Dra. Mireya Etxaluze del Instituto de Ciencia de los Materiales de Madrid, España, se centró en la Nebulosa de la Hélice, una de las nebulosas planetarias más cercanas a nuestro Sistema Solar, a una distancia de 700 años luz.

La estrella central de esta nebulosa planetaria tiene la mitad de masa que nuestro Sol pero una temperatura muy superior, rozando los 120.000 °C. Las capas expulsadas por la estrella recuerdan a un ojo humano en las imágenes ópticas, y contienen una rica variedad de moléculas.

Herschel estudió la distribución de esta molécula tan especial a través de la Nebulosa de la Hélice, y descubrió que es más abundante en aquellas regiones en las que las moléculas de monóxido de carbono, también producidas por la estrella, son más propensas a ser destruidas por la intensa radiación ultravioleta.

En cuanto los átomos de oxígeno han sido liberados de la molécula de monóxido de carbono vuelven a estar disponibles para formar las nuevas moléculas de oxígeno-hidrógeno, lo que refuerza la hipótesis de que la radiación ultravioleta fomenta su formación.

Estos dos estudios son los primeros en identificar esta molécula fundamental para la formación del agua en las nebulosas planetarias, aunque todavía faltaría por determinar si estas condiciones tan hostiles permitirían la formación de una molécula de agua completa.

“La proximidad de la Nebulosa de la Hélice significa que tenemos un laboratorio natural en nuestro vecindario cósmico en el que podemos estudiar en detalle la química de estos objetos y el papel que juegan en el proceso de reciclaje de moléculas a través del medio interestelar”, explica Etxaluze.

“Herschel ha seguido las huellas del agua a través del Universo, desde las nubes de formación de estrellas hasta el cinturón de asteroides en nuestro propio Sistema Solar”, explica Göran Pilbratt, científico del proyecto Herschel para la ESA.

“Ahora hemos descubierto que las estrellas como nuestro Sol podrían estar ayudando a formar agua en el Universo, incluso durante sus últimos estertores”.

ESA

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