Pruebas de datos de Chandra de "La Teoría del todo".
Una de las ideas más importantes en física es la posibilidad de que todas las fuerzas, partículas e interacciones conocidas puedan conectarse en un marco. La teoría de cuerdas es posiblemente la propuesta más conocida para una "teoría del todo" que uniría nuestra comprensión del universo físico.
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| Imágenes de rayos X del cúmulo de Perseo. Los astrónomos utilizaron Chandra para buscar partículas extraordinariamente bajas de "masa similar a un axión" en el cúmulo de galaxias de Perseo. Una observación de Chandra que duró más de cinco días del agujero negro supermasivo central en el centro del cúmulo no mostró evidencia de ciertas partículas similares a axiones, que algunos teóricos creen que pueden explicar la materia oscura. La falta de detección en estas observaciones de Chandra ayuda a descartar algunas versiones de la teoría de cuerdas, un conjunto de modelos destinados a unir todas las fuerzas, interacciones y partículas conocidas. Crédito: NASA / CXC / Univ. De Cambridge / C. Reynolds et al. |
A pesar de tener muchas versiones diferentes de la teoría de cuerdas circulando por la comunidad física durante décadas, ha habido muy pocas pruebas experimentales. Los astrónomos que usan el Observatorio de rayos X Chandra de la NASA, sin embargo, ahora han dado un paso significativo en esta área.
Al buscar en los cúmulos de galaxias, las estructuras más grandes del universo unidas por la gravedad, los investigadores pudieron buscar una partícula específica que muchos modelos de teoría de cuerdas predicen que debería existir. Si bien la no detección resultante no descarta por completo la teoría de cuerdas, sí da un golpe a ciertos modelos dentro de esa familia de ideas.
"Hasta hace poco no tenía idea de cuánto aportan los astrónomos de rayos X a la teoría de cuerdas, pero podríamos desempeñar un papel importante", dijo Christopher Reynolds, de la Universidad de Cambridge en el Reino Unido, quien dirigió el estudiar. "Si finalmente se detectan estas partículas, cambiaría la física para siempre".
La partícula que Reynolds y sus colegas estaban buscando se llama "axión". Estas partículas aún no detectadas deberían tener masas extraordinariamente bajas. Los científicos no conocen el rango de masa preciso, pero muchas teorías presentan masas de axiones que van desde aproximadamente una millonésima parte de la masa de un electrón hasta la masa cero. Algunos científicos piensan que los axiones podrían explicar el misterio de la materia oscura, que representa la gran mayoría de la materia en el universo.
Una propiedad inusual de estas partículas de masa ultrabaja sería que a veces podrían convertirse en fotones (es decir, paquetes de luz) a medida que pasan a través de campos magnéticos. Lo contrario también puede ser cierto: los fotones también pueden convertirse en axiones bajo ciertas condiciones. La frecuencia con la que ocurre este cambio depende de la facilidad con que realizan esta conversión, en otras palabras, de su "convertibilidad".
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| Ilustración de fotones / partículas. En un cúmulo de galaxias, los fotones de rayos X de una fuente incrustada o de fondo pueden viajar a través de una gran cantidad de gas caliente impregnado con líneas de campo magnético. Algunos de los fotones de rayos X pueden sufrir la conversión en partículas similares a axiones, o al revés, a lo largo de este viaje. Una ilustración simplificada muestra este proceso, con fotones de rayos X de longitud de onda más corta (en azul) que se convierten en partículas similares a axiones (amarillo) y de regreso a fotones, a medida que viajan a través de líneas de campo magnético (gris) en el cúmulo. Los fotones de rayos X de longitud de onda más largos (rojo) se están convirtiendo en partículas similares a los axiones, pero no de nuevo en fotones. Tales conversiones causarían una distorsión en el espectro de rayos X (la cantidad de rayos X a diferentes energías) de una fuente de rayos X brillante o incrustada. Crédito: Amanda Smith / Instituto de Astronomía / Universidad de Cambridge. |
Algunos científicos han propuesto la existencia de una clase más amplia de partículas de masa ultrabaja con propiedades similares a los axiones. Los axiones tendrían un solo valor de convertibilidad en cada masa, pero las "partículas similares a axiones" tendrían un rango de convertibilidad en la misma masa.
"Si bien puede parecer una posibilidad remota buscar partículas diminutas como axiones en estructuras gigantes como cúmulos de galaxias, en realidad son excelentes lugares para mirar", dijo el coautor David Marsh de la Universidad de Estocolmo en Suecia. "Los cúmulos de galaxias contienen campos magnéticos en distancias gigantes, y también a menudo contienen fuentes brillantes de rayos X. Juntas, estas propiedades aumentan las posibilidades de que la conversión de partículas similares a axiones sea detectable".
Para buscar signos de conversión por partículas similares a axiones, el equipo de astrónomos examinó durante cinco días las observaciones de Chandra de rayos X del material que caía hacia el agujero negro supermasivo en el centro del cúmulo de galaxias Perseo. Estudiaron el espectro de Chandra, o la cantidad de emisión de rayos X observada a diferentes energías, de esta fuente. La larga observación y la brillante fuente de rayos X dieron un espectro con suficiente sensibilidad para haber mostrado distorsiones que los científicos esperaban si hubiera partículas similares a axiones.
La falta de detección de tales distorsiones permitió a los investigadores descartar la presencia de la mayoría de los tipos de partículas similares a axiones en el rango de masa a la que sus observaciones eran sensibles, por debajo de aproximadamente una millonésima de una billonésima parte de la masa de un electrón.
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| Chandra Spectrum. El espectro Chandra (rojo) del agujero negro central de Perseo muestra la intensidad de los rayos X en función de la energía de los rayos X, junto con un ejemplo (negro) de un modelo de espectro de rayos X predicho si las partículas en forma de axiones fueran realmente siendo convertido desde y hacia fotones. Para resaltar las distorsiones que podrían haberse detectado, también se muestran los datos divididos por el modelo de ejemplo. Crédito: NASA / CXC / Univ. de Cambridge / C. Reynolds y col. |
"Nuestra investigación no descarta la existencia de estas partículas, pero definitivamente no ayuda en su caso", dijo la coautora Helen Russell de la Universidad de Nottingham en el Reino Unido. "Estas restricciones profundizan en el rango de propiedades sugeridas por la teoría de cuerdas, y pueden ayudar a los teóricos de cuerdas a eliminar sus teorías".
El último resultado fue aproximadamente tres o cuatro veces más sensible que la mejor búsqueda previa de partículas similares a axiones, que provino de las observaciones de Chandra del agujero negro supermasivo en M87. Este estudio de Perseo también es aproximadamente cien veces más poderoso que las mediciones actuales que se pueden realizar en los laboratorios aquí en la Tierra para el rango de masas que han considerado.
Claramente, una posible interpretación de este trabajo es que no existen partículas similares a axiones. Otra explicación es que las partículas tienen valores de convertibilidad aún más bajos que el límite de detección de esta observación, y más bajos de lo que algunos físicos de partículas esperaban. También podrían tener masas más altas que las probadas con los datos de Chandra.
Un artículo que describe estos resultados apareció en la edición del 10 de febrero de 2020 de The Astrophysical Journal y está disponible en línea. Además de Reynolds, Marsh y Russell, los autores de este artículo son Andrew C. Fabian, también de la Universidad de Cambridge, Robyn Smith de la Universidad de Maryland en College Park, Maryland, Francesco Tombesi de la Universidad de Roma en Italia. y Sylvain Veilleux, también de la Universidad de Maryland.
Los astrónomos han utilizado el Observatorio de rayos X Chandra de la NASA para realizar una de las primeras pruebas astrofísicas de la teoría de cuerdas. Apodada la "teoría de todo", la teoría de cuerdas es un conjunto de modelos que intenta unir todas las fuerzas, interacciones y partículas conocidas. A pesar de existir durante décadas, la teoría de cuerdas rara vez se ha probado en entornos físicos. Los astrónomos observaron el cúmulo de galaxias Perseus y un agujero negro supermasivo en su centro en rayos X para probar la teoría de cuerdas. Sus resultados mostraron que no había evidencia de una cierta familia de partículas conocidas como "axiones" dentro de un rango particular de masas. Si bien la no detección resultante no descarta la teoría de cuerdas, sí da un golpe a ciertos modelos dentro de ella. Sin embargo, este resultado muestra la promesa de que Chandra y los futuros observatorios de rayos X pueden jugar en la teoría de la cadena de prueba.
El Marshall Space Flight Center de la NASA administra el programa Chandra. El Centro de rayos X Chandra del Observatorio Astrofísico Smithsoniano controla las operaciones científicas y de vuelo desde Cambridge y Burlington, Massachusetts.
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Contactos de medios:
Megan Watzke
Centro de rayos X Chandra, Cambridge, Massachusetts.
617-496-7998
• Publicado en Chandra el 19 de marzo del 2020, comunicado de prensa.
