Los astrónomos han sido perplejos por dos fenómenos extraños en el corazón de nuestra galaxia. Primero, el gasoline en la zona molecular central (CMZ), una región densa y caótica cerca del núcleo de la Vía Láctea, parece ser ionizado (lo que significa que está cargado eléctricamente porque ha perdido electrones) a una velocidad sorprendentemente alta.
En segundo lugar, los telescopios han detectado un misterioso brillo de rayos gamma con una energía de 511 kilo-electronvolts (kev) (que corresponde a la energía de un electrón en reposo).
Curiosamente, tales rayos gamma se producen cuando un electrón y su contraparte antimateria, todas las partículas cargadas fundamentales tienen versiones antimaterales de sí mismas que son casi idénticas, pero con carga opuesta, el positrón, chocan y aniquilan en un destello de luz.
Las causas de ambos efectos han permanecido poco claras, a pesar de las décadas de observación. Pero en un nuevo estudio, publicado en Cartas de revisión físicamis colegas y yo mostramos que ambos podrían estar vinculados a uno de los ingredientes más esquivos del universo: la materia oscura. En explicit, proponemos que una nueva forma de materia oscura, menos masiva de lo que los astrónomos típicamente buscan, podría ser el culpable.
Proceso oculto
El CMZ abarca casi 700 años ligeros y contiene algunos de los gases moleculares más densos de la galaxia. A lo largo de los años, los científicos han descubierto que esta región está inusualmente ionizada, lo que significa que las moléculas de hidrógeno se dividen en partículas cargadas (electrones y núcleos) a una velocidad mucho más rápida de lo esperado.
Este podría ser el resultado de fuentes como los rayos cósmicos y la luz de las estrellas que bombardean el gasoline. Sin embargo, estos por sí solos no parecen ser capaces de dar cuenta de los niveles observados.
El otro misterio, la emisión 511-kev, fue observado por primera vez En la década de 1970, pero aún no tiene una fuente claramente identificada. Varios candidatos han sido propuestosincluyendo supernovas, estrellas masivas, agujeros negros y estrellas de neutrones. Sin embargo, ninguno explica completamente el patrón o la intensidad de la emisión.
Hicimos una pregunta easy: ¿podrían ambos fenómenos ser causados por el mismo proceso oculto?
Materia oscura representa alrededor del 85 por ciento del asunto en el universo, pero no emite ni absorbe la luz. Si bien sus efectos gravitacionales son claros, los científicos aún no saben de qué está hecho.
Una posibilidad, a menudo pasada por alto, es que las partículas de materia oscura podrían ser muy livianas, con masas solo unos pocos millones de electronvoltios, mucho más ligeros que un protón, y aún desempeñan un papel cósmico. Estos candidatos de materia oscura clara generalmente se denominan partículas de materia oscura sub-gev (electronvoltios GIGA).
Tales partículas de materia oscura pueden interactuar con sus antipartículas. En nuestro trabajo, estudiamos lo que sucedería si estas partículas de materia oscura clara entran en contacto con sus propias antipartículas en el centro galáctico y se aniquilan entre sí, produciendo electrones y positrones.
En el denso gasoline de la CMZ, estas partículas de baja energía perderían rápidamente energía e ionizarían las moléculas de hidrógeno circundantes de manera muy eficiente al eliminar sus electrones. Debido a que la región es tan densa, las partículas no viajarían lejos. En cambio, depositarían la mayor parte de su energía localmente, lo que coincide bastante bien con el perfil de ionización observado.
Utilizando simulaciones detalladas, encontramos que este proceso easy, partículas de materia oscura que se aniquilan en electrones y positrones, puede explicar naturalmente las tasas de ionización observadas en el CMZ.
Aún mejor, las propiedades requeridas de la materia oscura, como su masa y su fuerza de interacción, no entran en conflicto con ninguna restricción conocida del universo temprano. La materia oscura de este tipo parece ser una opción seria.
El rompecabezas de positrones
Si la materia oscura está creando positrones en el CMZ, esas partículas eventualmente disminuirán y eventualmente aniquilarán con electrones en el medio ambiente, produciendo rayos gamma con exactamente energía 511-Kev. Esto proporcionaría un vínculo directo entre la ionización y el misterioso brillo.
Descubrimos que, si bien la materia oscura puede explicar la ionización, también puede replicar una cantidad de radiación 511-Kev. Este hallazgo sorprendente sugiere que las dos señales pueden originarse potencialmente de la misma fuente, la materia oscura clara.
Sin embargo, el brillo exacto de la línea 511-Kev depende de varios factores, incluida la forma eficiente de los estados unidos con electrones y dónde se aniquilan exactamente. Estos detalles aún son inciertos.
Una nueva forma de probar el invisible
Independientemente de si la emisión 511-Kev y la ionización CMZ comparten una fuente común, la tasa de ionización en el CMZ está emergiendo como una nueva observación valiosa para estudiar materia oscura. En explicit, proporciona una forma de probar modelos que involucran partículas de materia oscura clara, que son difíciles de detectar utilizando experimentos de laboratorio tradicionales.
Las observaciones de movimiento de la Vía Láctea podrían ayudar a probar las teorías de la materia oscura. Eso/y. Beletsky, CC BY-SA
En nuestro estudiodemostramos que el perfil de ionización predicho de la materia oscura es notablemente plano a través del CMZ. Esto es importante, porque la ionización observada se extiende de manera relativamente uniforme.
Fuentes puntuales como el agujero negro en el centro de la galaxia O fuentes de rayos cósmicos como supernovas (estrellas explosivas) no pueden explicarlo fácilmente. Pero una materia oscura distribuida suavemente puede.
Nuestros hallazgos sugieren que el centro de la Vía Láctea puede ofrecer nuevas pistas sobre la naturaleza elementary de la materia oscura.
Los telescopios futuros con mejor resolución podrán proporcionar más información sobre la distribución espacial y las relaciones entre la línea 511-Kev y la tasa de ionización CMZ. Mientras tanto, las observaciones continuas de la CMZ pueden ayudar a descartar o fortalecer la explicación de la materia oscura.
De cualquier manera, estas extrañas señales del corazón de la galaxia nos recuerdan que el universo todavía está lleno de sorpresas. A veces, mirar hacia adentro, al centro dinámico y brillante de nuestra propia galaxia, revela los indicios más inesperados de lo que está más allá.
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