Astrónomos buscan la misteriosa partícula de la materia oscura con un ingenioso truco

Físicos de la Universidad de Copenhague han comenzado a utilizar los gigantescos campos magnéticos de los cúmulos galácticos para observar agujeros negros lejanos en su búsqueda de una partícula esquiva que ha desconcertado a los científicos durante décadas: el axión.

Por Enrique Coperías

Ilustración conceptual de cómo un grupo de físicos utiliza cúmulos de galaxias como filtros cósmicos para detectar partículas de tipo axión, que podrían ser parte de la materia oscura. Al atravesar los cúmulos, la radiación de los agujeros negros se ve alterada, dejando una huella que sugiere la presencia de estas partículas hipotéticas. Imagen generada con Gemini

El universo es un escenario de contrastes que desafían la imaginación. En un extremo, las estructuras más pesadas conocidas: los cúmulos de galaxias, colosales aglomeraciones de materia que pueden ser un cuatrillón de veces más masivas que el Sol. En el otro extremo, partículas hipotéticas tan ligeras que escapan a cualquier comparación con los átomos: los axiones.

Entre ambos polos, un grupo de físicos ha encontrado un vínculo insólito. Utilizando los cúmulos de galaxias como gigantescos filtros cósmicos y las emisiones de agujeros negros lejanos como fuente de luz han puesto a prueba una de las teorías más prometedoras sobre la naturaleza de la materia oscura.

El trabajo, publicado en la revista Nature Astronomy y liderado por un equipo internacional con investigadores de la Universidad de Tübingen, en Alemania, y del Niels Bohr Institute de Copenhague, en Dinamarca, propone un enfoque novedoso para detectar partículas de tipo axión (ALP, por sus siglas en inglés).

Estas entidades, nunca observadas de manera directa, podrían constituir una parte esencial de la materia oscura, esa sustancia invisible que compone cerca del 85% de la materia del universo y cuya naturaleza sigue siendo uno de los grandes enigmas de la ciencia.

El problema: señales demasiado débiles para detectar

La historia de los axiones se remonta a finales de los años setenta. Su existencia fue postulada como solución a un problema de la física de partículas conocido como el problema CP fuerte (CP representa la simetría de paridad y carga).

Pronto, sin embargo, se vio que estos hipotéticos bosones ligerísimos, o sea, los axiones, también encajaban en el papel de candidatos a materia oscura. De ahí nacieron versiones más generales, las partículas de tipo axión, con propiedades similares pero un marco teórico más amplio.

Su rasgo más interesante es su relación con la luz: en presencia de un campo magnético, un fotón puede transformarse en un axión y viceversa. Este fenómeno, de ocurrir, dejaría una señal característica en el espectro electromagnético de los objetos astrofísicos. La dificultad está en que cada campo magnético cósmico —con su intensidad, orientación y turbulencia— introduce variaciones aleatorias, de manera que la señal esperada en un objeto individual es impredecible.

La nueva estrategia: apilar datos de múltiples galaxias

Hasta ahora, la mayoría de los intentos para dar caza a los axiones había buscado anomalías en fuentes concretas, como supernovas, estrellas de neutrones y núcleos activos de galaxias (AGN). El nuevo trabajo rompe con esa lógica. En lugar de mirar un solo objeto y lidiar con la incertidumbre de su campo magnético, los investigadores decidieron apilar datos de muchos.

Eligieron 32 núcleos activos de galaxias brillantes en rayos gamma situados detrás de cúmulos galácticos. Cada uno de estos núcleos alberga un agujero negro supermasivo en plena actividad, capaz de emitir radiación de alta energía con un espectro suave y predecible.

Al atravesar los cúmulos de galaxias, verdaderos reservorios de campos magnéticos que se extienden a lo largo de millones de años luz, parte de esos fotones podría transformarse en partículas de tipo axión, y generar pequeñas irregularidades en la señal.

El axión es una partícula hipotética, casi indetectable, propuesta para resolver un problema de la física y considerada uno de los candidatos más firmes a formar la materia oscura del universo. Cortesía: CERN

La huella de la conversión fotón–axión

Vistos de forma aislada, esos efectos se confunden con ruido. Pero al combinar los 32 espectros, las fluctuaciones aleatorias se diluyen y aparece un patrón reconocible: una caída escalonada en la intensidad a altas energías, exactamente la huella que se espera de la conversión fotón–axión.

«Normalmente, el rastro de estas partículas es impredecible y parece un ruido aleatorio. Pero nos dimos cuenta de que, al combinar datos de muchas fuentes distintas, transformábamos ese ruido en un patrón claro y reconocible», expresa Oleg Ruchayskiy, profesor asociado en el Niels Bohr Institute y coautor principal del estudio.

En palabras de Ruchayskiy, «el patrón se manifiesta como una especie de escalón único, que encaja con lo que debería producir la conversión. Lo vemos solo como un indicio, un murmullo cósmico… pero lo bastante fuerte como para oírlo».

El universo como acelerador natural

La idea de fondo es tan poderosa como sencilla: usar el cosmos como si fuera un acelerador de partículas. Donde los laboratorios terrestres, como el famoso gran colisionador de hadrones del CERN, se topan con limitaciones de energía y tamaño, el universo ofrece escenarios imposibles de recrear: campos magnéticos que se extienden por millones de kilómetros, densidades extremas, temperaturas de miles de millones de grados.

En palabras de los autores, los cúmulos de galaxias actúan como laboratorios naturales en los que la física de partículas puede explorarse de forma indirecta. Al estudiar la radiación cósmica que atraviesa estos entornos, se accede a procesos invisibles pero fundamentales.

Resultados y límites más estrictos

El análisis de los 32 pares núcleos activos de galaxias–cúmulo permitió establecer los límites más estrictos hasta ahora sobre las propiedades de las partículas tipo axión en un rango de masas entre uno y diez nanoelectronvoltios. En concreto, las restricciones sobre la intensidad del acoplamiento con los fotones mejoraron hasta cuatro veces respecto a trabajos anteriores.

Más aún, en escenarios donde se consideran solo errores estadísticos, la mejora alcanzaría un factor de 7,5. Esta precisión recorta de manera notable el espacio de búsqueda y acerca a los físicos a descartar regiones enteras donde los axiones no pueden existir.

«Este método ha incrementado enormemente lo que sabemos sobre los axiones. Nos ha permitido trazar un mapa de áreas donde sabemos que no están, lo que reduce el espacio donde podrían hallarse», destaca Lidiia Zadorozhna, investigadora postdoctoral en el Niels Bohr Institute y coautora del trabajo.

«Estamos muy entusiasmados, porque no se trata de un avance puntual. Este método nos permite ir más allá de los límites experimentales anteriores y ha abierto un nuevo camino para estudiar estas partículas esquivas, señala una de las investigadoras del nuevo estudio. Imagen: Canva

Una pista intrigante

El estudio dejó además una nota curiosa: una región de parámetros en la que el modelo con partículas de tipo axión mejora ligeramente el ajuste de los datos, con una significancia de unas dos sigmas. No es suficiente para proclamar una detección –se necesitarían cinco–, pero sí un motivo para prestar atención.

Dos objetos, NGC 1275 y PKS0035-252, mostraron la señal más marcada. El primero es un conjunto de dos galaxias, una delante de otra, que se encuentran en la constelación de Perseo; y el segundo, es un cuásar del tipo FSR con un agujero negro supermasivo de varios millones de masas solares que se halla en la la constelación de Cetus.

Aunque los autores insisten en la cautela, resulta intrigante que este indicio coincida con parámetros sugeridos por otros estudios independientes, relacionados con la transparencia del universo a los rayos gamma de muy alta energía o con procesos de enfriamiento estelar.

Más allá de los rayos gamma

La metodología de este interesante trabajo no se limita a un rango de radiación. Si en este estudio se aplicó a rayos gamma gracias al telescopio espacial Fermi y, en concreto, a su principal instrumento científico, el Large Area Telescope (LAT), en el futuro podría extenderse a rayos X o incluso a energías mucho más altas.

Esta posibilidad abre un abanico mucho más amplio de masas y acoplamientos posibles para las partículas de tipo axión, seg´ún apuntan los autores del estudio.

«Lo emocionante es que no se trata de un avance puntual. Esta técnica puede ser repetida por nosotros o por otros grupos, con diferentes tipos de radiación y en un rango enorme de masas y energías —señala Zadorozhna—. Así podemos ir sumando piezas al rompecabezas de la materia oscura».

Aportaciones de los telescopios del futuro

El horizonte es prometedor. La llegada del Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO), actualmente en construcción, permitirá extender las búsquedas a energías del orden de los teraelectronvoltios.

Según las simulaciones del propio equipo, con un conjunto de fuentes similar podrían alcanzarse mejoras de un orden de magnitud en la sensibilidad, explorando incluso regiones de parámetros compatibles con ALPs como candidatos a materia oscura.

Otros observatorios, como el eROSITA, un telescopio de rayos X construido por el Instituto Max Planck para Física Extraterrestre (MPE) en Alemania; y el futuro Square Kilometre Array (radio), un radiotelescopio que tendrá una superficie total de aproximadamente un kilómetro cuadrado y que explorará el cielo desde Sudáfrica, ampliarán el catálogo de cúmulos de galaxias conocidos y mejorarán nuestro conocimiento de sus campos magnéticos, un elemento clave en esta técnica.

Cada nuevo cúmulo identificado es, en la práctica, un nuevo experimento natural donde poner a prueba la hipótesis.

Las tres clases de telescopios para cubrir todo el rango de energía del CTAO (de 20 GeV a 300 TeV): el telescopio de gran tamaño (LST), el telescopio de tamaño medio (MST) y el telescopio de pequeño tamaño (SST). Este trío permitirá extender las búsquedas a energías del orden de los teraelectronvoltios. Cortesía: CTAO

Hacia la materia oscura

Más allá de los números, el valor principal del trabajo reside en la estrategia de apilado de espectros. Al convertir la debilidad de cada señal en fortaleza estadística, los autores han encontrado una vía para superar el obstáculo que durante años frenó la búsqueda de partículas tipo axión: la incertidumbre de los campos magnéticos cósmicos.

En lugar de intentar modelar al detalle cada cúmulo –una tarea casi imposible–, la técnica se basa en promediar muchos casos y reducir la complejidad a un parámetro efectivo: el campo magnético medio del conjunto. El resultado es un método más robusto, replicable y escalable.

Aunque aún no haya una detección concluyente, el avance es significativo. «Es un susurro cósmico» resume Ruchayskiy. Una señal débil, pero que al amplificarse con ingenio estadístico suena como una promesa.

Cada restricción, cada región descartada, acerca a los físicos a responder la gran pregunta: ¿qué es la materia oscura?. ¿Está formada por partículas tipo axión? ¿O por otras entidades aún más exóticas? Lo que está claro es que, gracias a estas investigaciones, el espacio de incertidumbre se reduce, y la frontera entre lo conocido y lo desconocido se mueve un poco más hacia la claridad. ▪️

• Información facilitada por la Universidad de Copenhagen

• Fuente: Malyshev, D., Zadorozhna, L., Bidasyuk, Y. et al. Constraints on axion-like particles from active galactic nuclei seen through galaxy clusters. Nature Astronomy (2025). DOI: https://doi.org/10.1038/s41550-025-02621-8