En el corazón de un cúmulo de galaxias a 200 millones de años luz de distancia, los astrónomos no han podido detectar partículas hipotéticas llamadas axiones.
Esto plantea nuevas restricciones sobre cómo creemos que funcionan estas partículas, pero también tiene implicaciones bastante importantes para la teoría de cuerdas y el desarrollo de una Teoría del Todo que describe cómo funciona el Universo físico.
"Hasta hace poco no tenía idea de cuánto aportan los astrónomos de rayos X a la mesa cuando se trata de la teoría de cuerdas, pero podríamos desempeñar un papel importante". dijo el astrofísico Christopher Reynolds de la Universidad de Cambridge en el Reino Unido.
Cuando se trata de comprender cómo funciona el Universo, hemos desarrollado algunos marcos bastante buenos. Uno es relatividad general, que describe cómo funciona la física en un nivel macro. Otra es la mecánica cuántica, que describe cómo se comportan las cosas a nivel atómico y subatómico.
El gran problema es que los dos marcos no se llevan bien. La relatividad general no puede reducirse al nivel cuántico, y la mecánica cuántica no puede ampliarse. Ha habido muchos intentos para que jueguen bien, desarrollando lo que se llama una teoría de todo.
Uno de los candidatos más prometedores para resolver las diferencias entre la relatividad general y la mecánica cuántica es algo llamado teoría de cuerdas, que implica reemplazar las partículas puntuales en la física de partículas con pequeñas cadenas vibrantes unidimensionales.
Además, muchos modelos de teoría de cuerdas predicen la existencia de axiones: las partículas de masa ultrabaja plantearon por primera vez en la década de 1970 para resolver una pregunta de por qué las fuerzas atómicas fuertes siguen algo llamado simetría de paridad de carga
Una de las propiedades de las partículas de tipo axión es que pueden convertirse en un fotón cuando pasan a través de un campo magnético; y, por el contrario, los fotones pueden convertirse en partículas similares a los axiones cuando pasan a través de un campo magnético. La probabilidad de esto depende de una variedad de factores, que incluyen la intensidad del campo magnético, la distancia recorrida y la masa de la partícula.
Aquí es donde entran Reynolds y su equipo. Habían estado utilizando el Observatorio de rayos X Chandra para estudiar el núcleo activo de una galaxia llamada NGC 1275
Sus ocho días de observaciones terminaron diciéndoles casi nada sobre el calabozo. Pero luego se dieron cuenta de que los datos podrían usarse para buscar partículas similares a axiones.
"La luz de rayos X de NGC1275 necesita pasar a través del gas caliente del grupo de Perseus, y este gas está magnetizado". Reynolds explicó.
"El campo magnético es relativamente débil (más de 10,000 veces más débil que el campo magnético en la superficie de la Tierra), pero los fotones de rayos X necesitan recorrer una enorme distancia a través de este campo magnético. Esto significa que hay una amplia oportunidad para la conversión de estos fotones en partículas similares a axiones (siempre que las partículas similares a axiones tengan una masa suficientemente baja) ".
Debido a que la probabilidad de conversión depende de la longitud de onda de los fotones de rayos X, las observaciones deben revelar una distorsión ya que algunas longitudes de onda se convierten de manera más efectiva que otras. Al equipo le llevó cerca de un año de arduo trabajo, pero al final, no se encontró tal distorsión.
Esto significa que el equipo podría descartar la existencia de axiones en el rango de masa al que sus observaciones eran sensibles, hasta aproximadamente una millonésima parte de la billonésima parte de la masa de un electrón.
"Nuestra investigación no descarta la existencia de estas partículas, pero definitivamente no ayuda a su caso". dijo la astrónoma 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 deshilar sus teorías".
La investigación ha sido publicada en El diario astrofísico.