Cartografía de las estructuras extra-galácticas de materia oscura a través de los rayos gamma

Usando la Simulación de alta resolución Milenio-II (MS-II) de la formación de la estructura cósmica, científicos del Instituto Max Planck de Astrofísica (MPA) han creado el primer mapa completo del cielo del fondo de radiación de rayos gamma esperado, de la aniquilación de materia oscura en las estructuras extragalácticas.

Aunque la materia oscura representa la mayor parte de la materia en el Universo, su naturaleza permanece desconocida. Hasta ahora, la presencia de materia oscura sólo se ha deducido a través de sus efectos gravitatorios. Sin embargo, si la materia oscura está hecha de neutralinos, una nueva partícula predicha por la supersimetría, que también interactúan, aunque muy débilmente, con la materia ordinaria, podría ser detectada antes en los laboratorios de la Tierra. Además, los neutralinos, siendo fermiones de Majorana, pueden auto-aniquilarse para producir partículas ordinarias como positrones, neutrinos y fotones de rayos gamma. Si estos subproductos de la aniquilación son lo suficientemente abundantes, podrían ser detectados por satélites como el Fermi, que ha estado mapeando el cielo de rayos gamma desde mediados de 2008.

Esta radiación gamma se produce con mayor abundancia en las regiones de alta densidad. Por lo tanto, parece que lo mejor es buscarla en las regiones aledañas muy densas, como el centro de nuestra Galaxia y/o los centros de sus galaxias satélites. En realidad, resulta que las mejores perspectivas para la detección de rayos gamma en nuestra galaxia se obtienen observando en sectores ligeramente desplazados del centro para evitar la confusión de las señales con otras fuentes de rayos gamma residentes en el centro galáctico.

Sin embargo, fuera del halo galáctico, los rayos gamma también son producidos en grandes cantidades por la aniquilación de materia oscura en todos los halos y muchos subhalos dentro de nuestro cono de luz del pasado, contribuyendo a la llamada radiación del fondo de rayos gamma extragalácticos (EGB). A pesar que la EGB también recibe aportes de otras fuentes, tales como blazars y rayos cósmicos acelerados en choques de formación de la estructura, el espectro de la energía y el espectro de potencia angular de la radiación de aniquilación tienen características distintivas que pueden abrir caminos efectivos para separar la señal. Esto hace que un análisis detallado de la EGB es una posibilidad viable para la detección de materia oscura.

En un nuevo estudio, los científicos del MPA utilizaron la Simulación de Millennium II (un proyecto del MPA que es el Estado-del-arte en la materia) para generar mapas de todo el cielo de la contribución de la aniquilación de materia oscura a la radiación EGB. Un procedimiento de cartografía especial fue desarrollado para recrear el cono de luz del pasado de un observador galáctico fiduciario, teniendo en cuenta la luminosidad de rayos gamma de todos los halos y sus subhalos resueltos numéricamente. El método también incluye correcciones para los componentes no resueltos de la emisión, así como una extrapolación para la masa mínima de la envolvente de neutralino del halo de materia oscura. La resolución angular de los mapas creados fue elegido para ser similar a la de Fermi, unos 0.115 grados.

Se encontró que para la mayor parte del rango de energía relevante (0,1 a 30 GeV), la señal proviene principalmente de las fuentes de corrimientos al rojo con un factor z aproximadamente igual a 2. En el escenario más optimista considerado, el espectro de energía de la parte isotrópica de la radiación de fondo, se encuentra aproximadamente a un orden de magnitud por debajo de los valores de la EGB medidos por el telescopio EGRET (predecesor de Fermi) en el rango de energía 1 a 20 GeV, donde un aparente exceso de rayos gamma ha dado lugar a especulaciones de un posible origen en aniquilaciones de materia oscura. Los resultados encontrados por el equipo del MPA indican que si este exceso es en efecto confirmado por Fermi, entonces la aniquilación de los neutralinos sólo podría explicar la señal si el proceso de aniquilación es mejorado. Varios mecanismos se han propuesto que, efectivamente, pueden dar una mejora, como la presencia de "picos" de alta densidad de la materia oscura formados alrededor de agujeros negros de masa intermedia (con masas de entre cien y un millón de masas solares), o lo que se llama la mejora Sommerfeld, un efecto de enfoque cuántico-mecánico, que aumenta la sección transversal de la aniquilación.

El equipo del MPA también estudió el componente anisotrópico de la EGB al calcular el espectro de potencia angular de los mapas simulados. Esto dio predicciones específicas para la forma del espectro de potencia, que potencialmente pueden ser utilizados para discriminar a los rayos de otras fuentes de rayos gamma, porque la señal de aniquilación depende de una manera específica y única de la distribución a gran escala de los halos, la distribución de subhaloes dentro de los halos, y la abundancia y la estructura interna de los halos en función del tiempo. Además, la forma del espectro de potencia se encontró que depende de la energía de las observaciones. Curiosamente, estas diferencias pueden ser aprovechados para la construcción de mapas de "color" que mejoran la señal de las estructuras de materia oscura cercanas, similar a los mapas de relación de dureza en observaciones de rayos X. Por ejemplo, los científicos del MPA descubrieron que tomando la relación de los mapas de las energías de 0,1 GeV y 32 GeV, se mejora enormemente el contraste de las estructuras locales de la materia oscura, lo que las hace claramente visibles en el cielo de rayos gamma. Si características espectrales fuertes están presentes en el resto del espectro de emisión de la radiación de aniquilación, esto podría ser especialmente poderoso, incluso permitiendo observaciones tomográficas de las estructuras de materia oscura.

Panel superior: Un mapa parcial muestra el fondo de rayos gamma extragalácticos producidos por la aniquilación de materia oscura en las estructuras cercanas. Sólo las fuentes dentro de 68 Megaparsecs de un observador, situado al azar en el cuadro de simulación, se considera para el mapa. La escala de colores da una impresión visual de los valores de la intensidad de rayos gamma específica para cada píxel en el mapa; el color rojo corresponde a los valores más altos de intensidad específica. La energía observada de la simulación de la radiación de rayos gamma es de 10 GeV.
Panel inferior: El mapa del cielo completo de rayos gamma de las fuentes conteniendo fuentes de aniquilación de materia oscura hasta z ~ 10. La luminosidad de rayos gamma del halo cercano dominante que aparecen claramente en el mapa del panel superior es eclisado por una suave radiación producida por halos lejanos, emitiendo efectivamente como fuentes puntuales. En ambos mapas sólo la contribución mínimo para los halos más pequeños resuelta por la simulación (9 veces 108 masas solares) se ha tenido en cuenta.

Panel superior: Mapas completos del cielo en energías de 0,1 GeV y 32 GeV en la izquierda y derecha, respectivamente. Los mapas fueron suavizados con un haz gaussiano con un FWHM de 5 grados. En una sola energía, un completo mapa del cielo es muy suave, las estructuras cercanas son sólo mínimamente visibles.
Panel inferior: Relación de los mapas en el panel superior (izquierda) y un mapa parcial que contiene sólo las estructuras cercanas dentro de 68 Mpc para una energía observada de 0,1 GeV (derecha). Creando mapas de diferencias ( mapas de "color"), utilizando diferentes canales de energía, aumenta considerablemente la señal de las estructuras cercanas.

Datos útiles:
• FWHM: Full-Width Half-Maximum, ancho de media altura para un determinado pico de emisión.
• Blazar: Un blazar es una fuente de energía muy compacta y altamente variable, asociada a un agujero negro ubicado en el centro de una galaxia. Los blazares están entre los fenómenos más violentos del Universo, y son un tema importante en la astronomía extragaláctica.
Es una clase especial de núcleo activo galáctico (AGN), que se destaca por emitir un jet relativístico.
• Simulación Milenio-II: La Simulación Milenio-II (MS-II) es una simulación muy grande de N cuerpos, de la evolución de la materia oscura en la concordancia con la cosmología LCDM.
LCDM o Lambda-CDM es por Lambda-Cold Dark Matter. Representa al modelo de concordancia del big-bang que explica las observaciones cósmicas realizadas sobre la radiación del fondo de microondas, así como la estructura a gran escala del universo y las observaciones realizadas sobre las supernovas. Todo eso representa nueva información para explicar la aceleración de la expansión del Universo. Es el modelo conocido más simple que está de acuerdo con todas las observaciones actuales.

Fuente:
Mapping extragalactic dark matter structures through gamma-rays

Información relacionada:
• arXiv.org > astro-ph > arXiv:0908.2428: Extragalactic gamma-ray background radiation from dark matter annihilation
• Can we see the dark matter?, MPA

Imágenes:
Crédito: Instituto de Astrofísica Max Planck, MPA.