Universo a la vista 1: Los positrones galácticos no son de la materia oscura

Un nuevo estudio sobre la propagación de positrones en la galaxia sugiere que la aniquilación de la materia oscura o el decaimiento no son necesario tener en cuenta en las observaciones de rayos gamma realizadas por el satélite INTEGRAL de la ESA. Esto demuestra que las características observadas de las emisiones de positrones puede explicarse completamente por la desintegración β⁺ de los radionúcleos producidos por la nucleosíntesis en las explosiones de supernovas y los vientos de estrellas masivas.

Uno de los principales éxitos del satélite de rayos gamma INTEGRAL, es su caracterización y cartografía sin precedentes de la aniquilación de positrones en la galaxia. Los primeros resultados del espectrómetro INTEGRAL revelaron que la línea de emisión de 511 keV de aniquilación de los pares electrón-positrón es emitida fundamentalmente en una región circular que se corresponde aproximadamente con el abultamiento central de la Vía Láctea. Como la emisión del disco galáctico no puede ser claramente detectada, los datos implican una relación abultamiento a disco por lo menos tres veces superior a la de los centros de producción de positrones por decaimiento β⁺ en las eyecciones de supernovas.

La materia oscura pronto surgió como una explicación para el exceso de positrones en el abultamiemto en comparación con la distribución en las supernovas de tipo Ia. Los investigadores entonces se dieron cuenta, sin embargo, que el rango de masas para la requerida ligera partícula de materia oscura fue severamente limitado por el máximo de energía deducido de los positrones. Sin embargo, en los últimos años, más de 100 trabajos han sido publicados sobre exóticos candidatos a materia oscura que podrían explicar el exceso de positrones en el bulto galáctico. Estos incluyen los nuevos axiones, cuerdas superconductoras, bolas Q, neutrinos estériles, fermiones milicargadaos, branas inestables y muchos más.

Esta proliferación de ideas exóticas debe terminar con la reciente publicación de un artículo en Physical Review Letters por Richard Lingenfelter y Richard Rothschild, de la Universidad de California en San Diego y su colega James Higdon en el Centro de Ciencias de Keck. Su carta se basa en un estudio detallado que publicaron en el Astrophysical Journal, donde demuestren que la suposición de que los positrones no se puede propagar a grandes distancias en la galaxia está mal. Ellos muestran, además, que los positrones del decaimiento de los radionucleos ⁵⁶Ni, ⁴⁴Ti y ²⁶Al producidos en eyecciones de supernova preferentemente decaen en el entorno más denso del abultamiento galáctico, donde se concentran la mayoría de las nubes moleculares.

Lingenfelter y sus colegas por lo tanto, afirman que el exceso observado en el abultamiento puede ser plenamente justificado por fuentes astrofísicas de positrones identificadas, principalmente las eyecciones de supernova y los fuertes vientos de estrellas masivas. La fácil propagación de los positrones antes de la aniquilación en las densas envolturas de las nubes moleculares también explica la alta fracción de positronio (94% ± 4%) deducida de la relación entre el flujo de 511 keV y la emisión contínua de tres fotones a bajas energías. El estudio también sugiere que la asimetría observada en la aniquilación de positrones entre un lado del plano galáctico y el otro podría resultar de la distribución asimétrica de los brazos espirales interiores de la galaxia, visto desde la Tierra.

En vista de estos resultados, parece que el entusiasmo sobre una posible señal de materia oscura en las mediciones de INTEGRAL fue prematuro y construido sobre un terreno inestable. Con los recientes argumentos en contra de otras reclamaciones de materia oscura, esta cuestión parece más difícil de resolver que nunca.

El panel izquierdo muestra el brillo de los rayos gamma de 511 keV provenientes de la aniquilación de electrones por sus homólogos de antimateria, los positrones. El mapa muestra todo el cielo, con el centro galáctico en el centro. La emisión puede verse que se extiende hacia el lado derecho del mapa. El panel de la derecha muestra la distribución de estrellas binarias de baja masa de rayos X duros. Esta población estelar tiene una distribución que coincide con la medida del mapa de los 511 keV. Créditos: ESA / Integral / MPE (Weidenspointner G. et al.)

Datos útiles

Positronio

El positronio es un sistema cuasiestable formado por un electrón y un positrón (antipartícula del electrón) unidos formando un átomo exótico. La órbita de ambas partículas y los niveles energéticos son similares al del átomo de hidrógeno. Pero debido a la diferente masa reducida del sistema, las frecuencias asociadas a las líneas espectrales son menos de la mitad que en el hidrógeno.

Desintegración β⁺

En la desintegración β⁺ un protón da lugar a un neutrón, un positrón y un neutrino electrónico.

p⁺→n+e⁺+ν_e

Esta reacción no es posible para protones libres, pues se violaría el principio de conservación de la energía, ya que la suma de las energías de los productos resultantes sería mayor que la del protón (en todo momento debemos tener presente la equivalencia masa-energía en estos procesos). En cambio, para protones ligados, formando parte de un núcleo, es posible que la diferencia de energías entre el núcleo final y el inicial sea suficiente para crear las partículas resultantes, en cuyo caso la reacción está permitida.

Sobre la aniquilación positrón-electrón y la línea espectral de 511 keV

En el proceso de aniquilación positrón-electrón (en general aniquilación partícula-antipartícula.) se produce la conversión total de la masa de un electrón y un positrón en energía.

e⁺+e^-→γ+γ

En la expresión de arriba se indican dos fotones gamma en lugar de uno (cada uno de 511 keV, sumando los dos 1.022 MeV. Nos encontraremos con este valor total nuevamente más abajo), debido a que no es posible la aniquilación de un par electrón-positrón en un solo fotón, ya que se violaría el principio de conservación de la energía y del momento. La reacción inversa tampoco es posible debido a la misma razón; sin embargo este fenómeno se observa en la naturaleza, en donde se puede crear un par electrón-positrón a partir de un solo fotón con una energía de al menos la masa de ambas partículas, esto es 1.022 MeV (en física de alta energía, de particulas o nuclear, por razones de conveniencia, cálculo y practicidad se trabaja con la masa en terminos de energía según la conocida equivalencia de Einstein E=mc²). De acuerdo a la teoría cuántica de campos este proceso está permitido como un estado cuántico intermedio para tiempos suficientemente cortos en los que la violación de la conservación de la energía puede acomodarse al principio de incertidumbre de Heisenberg.