En el corazón de la Vía Láctea existe un resplandor que no debería estar allí, al menos no con la intensidad y la forma que muestran los telescopios. No puede verse con los ojos: está compuesto por rayos gamma, la clase más energética de radiación electromagnética, y se extiende miles de años luz alrededor del centro galáctico.
La señal se conoce como exceso de rayos gamma del centro galáctico, o GCE por sus siglas en inglés. Apareció al analizar las observaciones del telescopio espacial Fermi de la NASA y alcanza su mayor intensidad en energías de unos pocos gigaelectronvoltios. Incluso después de restar las fuentes conocidas, continúa quedando una emisión aproximadamente esférica alrededor del núcleo de la galaxia.
Desde entonces, dos explicaciones han dominado el debate. El brillo podría proceder de miles de púlsares de milisegundo demasiado débiles para ser detectados individualmente. O podría ser la huella producida cuando hipotéticas partículas de materia oscura se encuentran y se aniquilan entre sí.
Un nuevo trabajo publicado en Physical Review Letters no ha resuelto el misterio, pero ha cambiado sustancialmente el equilibrio entre ambas propuestas. Al incorporar una información que los análisis estadísticos anteriores descartaban (la energía individual de los fotones), los investigadores descubrieron que la población de púlsares necesaria tendría que ser mucho más numerosa y débil de lo esperado.
El centro de la galaxia es un lugar terrible para buscar materia oscura
Los astrónomos consideran que las galaxias están rodeadas por enormes halos de materia oscura. Como su densidad debería aumentar hacia las regiones centrales, el corazón de la Vía Láctea parece uno de los mejores lugares para buscar señales producidas por sus partículas.
El problema es que también constituye una de las regiones más complicadas del cielo. Allí se acumulan estrellas, gas interestelar, restos de supernovas, sistemas binarios, púlsares y partículas aceleradas a energías extremas. Todos ellos pueden producir rayos gamma o alterar la apariencia de la emisión que intenta medirse.
Algunos modelos de materia oscura proponen partículas que pueden aniquilarse cuando se encuentran. El proceso no permitiría observar directamente la materia invisible, pero generaría partículas ordinarias y, finalmente, rayos gamma. Debido a la distribución esperada del halo galáctico, la señal debería aparecer relativamente suave y concentrada alrededor del centro.
Los púlsares de milisegundo ofrecen una alternativa menos exótica. Son estrellas de neutrones que giran cientos de veces por segundo y pueden emitir radiación gamma. Una población suficientemente grande y distante podría mezclarse hasta producir un brillo aparentemente difuso.
La pista estaba en la energía de cada fotón
Los análisis anteriores intentaron distinguir ambas opciones estudiando la distribución espacial de los fotones. Una emisión verdaderamente difusa, como la esperada en algunos modelos de materia oscura, debería repartir los fotones siguiendo fluctuaciones estadísticas relativamente suaves. Una población de objetos puntuales, en cambio, produciría pequeñas agrupaciones: varios fotones llegarían desde posiciones coincidentes porque procederían de los mismos púlsares.
Algunos trabajos encontraron precisamente ese aspecto granular y concluyeron que el exceso probablemente estaba formado por fuentes puntuales no resueltas. La materia oscura fue perdiendo terreno frente a los púlsares.
Sin embargo, aquellas técnicas tenían una limitación importante: analizaban dónde aparecía cada fotón, pero no podían incorporar simultáneamente su energía. El equipo formado por Florian List, Yujin Park, Nicholas Rodd, Eve Schoen y Florian Wolf desarrolló un método de inferencia asistido por una red neuronal capaz de utilizar las dos clases de información a la vez. Para entrenarlo emplearon más de un millón de cielos de rayos gamma simulados.
El cambio fue decisivo. Cuando la red tuvo en cuenta el espectro energético, dejó de favorecer una población relativamente pequeña de fuentes cercanas al límite de detección de Fermi. Para reproducir los datos, los posibles objetos debían ser muchísimo más tenues.
Harían falta al menos 35.000 fuentes ocultas
Los primeros análisis favorables a los púlsares podían explicar la señal mediante cientos o unos pocos miles de fuentes. El nuevo estudio eleva radicalmente esa cantidad.
En su mejor modelo del fondo galáctico, los autores obtuvieron una predicción mediana del orden de 100.000 fuentes. Incluso considerando el límite inferior al 90% de confianza, serían necesarias más de 35.000. Las incertidumbres sobre la emisión del centro galáctico podrían reducir las cifras aproximadamente un orden de magnitud en algunos escenarios, pero seguirían exigiendo una población enorme.
Esos objetos serían tan débiles que cada uno produciría, en promedio, menos de un fotón detectable. En ese régimen, una multitud de púlsares ultratenues resulta estadísticamente casi indistinguible de una emisión completamente difusa.
Ese detalle explica tanto la importancia como la limitación del resultado. La señal se comporta de una manera compatible con la aniquilación de materia oscura, pero también podría proceder de un número extraordinariamente grande de fuentes convencionales. El estudio no identifica qué opción es correcta: demuestra que la supuesta evidencia estadística contra la materia oscura era menos concluyente de lo que parecía.
La inteligencia artificial no ha encontrado materia oscura
El término “inteligencia artificial” puede sugerir que un algoritmo inspeccionó el cielo y reconoció automáticamente la firma de una nueva partícula. No ocurrió eso.
La red neuronal aprendió a comparar observaciones con simulaciones que contenían distintas combinaciones de fuentes puntuales, emisiones difusas y fondos astrofísicos. Su función fue estimar qué distribuciones podían producir los datos reales, no decidir por sí sola la naturaleza de la materia oscura.
Los resultados dependen además de cómo se modele el complicado fondo de rayos gamma de la región central. Cambiar la distribución del gas, la emisión de rayos cósmicos o las plantillas utilizadas puede modificar la cantidad de fuentes inferidas. Los autores recalcan que no han obtenido una detección directa y que el origen del exceso continúa sin resolverse.
Tampoco se ha demostrado que la señal proceda necesariamente de púlsares. Para que esa explicación se imponga, los astrónomos tendrán que encontrar indicios independientes de una población suficientemente grande en el bulbo galáctico.
El próximo telescopio tampoco resolverá el misterio por sí solo
El Cherenkov Telescope Array Observatory ayudará a estudiar el universo en rayos gamma con una sensibilidad muy superior a la de los observatorios terrestres actuales. No obstante, sus instrumentos están optimizados principalmente para energías desde decenas de gigaelectronvoltios hasta cientos de teraelectronvoltios, mientras que el exceso clásico observado por Fermi destaca especialmente alrededor de unos pocos GeV.
Por eso, CTAO podría examinar la prolongación de la señal hacia energías mayores y restringir algunos modelos, pero difícilmente ofrecerá por sí solo una respuesta definitiva. Resolver el enigma exigirá combinar observaciones gamma, búsquedas de púlsares en otras longitudes de onda, mejores representaciones del centro galáctico y señales compatibles en lugares con abundante materia oscura y menos contaminación astrofísica.
El misterioso resplandor no es todavía la prueba que los físicos llevan décadas esperando. Pero ya no puede descartarse alegando simplemente que está compuesto por unos cientos de estrellas de neutrones invisibles.
Para apartar definitivamente a la materia oscura habría que esconder decenas de miles de púlsares en una de las regiones más observadas de la galaxia. Y mientras nadie consiga encontrarlos, el tenue brillo de Fermi seguirá siendo una de las pistas más intrigantes sobre aquello que mantiene unidas las galaxias, pero continúa sin dejarse ver.
