Los filamentos cósmicos permiten poner los primeros límites a la desintegración de la materia oscura en gravitones
Una nueva estrategia convierte la telaraña magnética del universo en un gigantesco detector natural: sus filamentos podrían transformar gravitones nacidos de la materia oscura en rayos gamma observables. El método abre por primera vez una vía para acotar uno de los canales de desintegración más esquivos de la física.
Por Enrique Coperías, periodista científico
La materia oscura podría no ser completamente estable
La materia oscura, esa forma invisible de materia que no emite ni refleja luz y que representa alrededor del 85% de toda la sustancia del universo, lleva casi un siglo haciendo honor a su nombre. Sabemos que está ahí porque su gravedad deja huellas enormes en las galaxias, los cúmulos y la propia arquitectura del cosmos, pero nadie ha conseguido determinar qué es.
Ahora, tres físicos proponen una forma inesperada de perseguir una de sus posibles manifestaciones: utilizar los gigantescos filamentos magnéticos de la red cósmica, unas gigantescas estructuras de gas y materia que conectan galaxias y cúmulos para formar una inmensa telaraña cósmica, como una especie de convertidor natural capaz de transformar gravitones procedentes de la desintegración de materia oscura en fotones de rayos gamma que sí podemos detectar.
La idea, desarrollada por David I. Dunsky, de la Universidad de Nueva York; Gordan Krnjaic, del Fermilab y la Universidad de Chicago; y Elena Pinetti, vinculada entre otras instituciones al Flatiron Institute y al Perimeter Institute, acaba de publicarse en Physical Review D.
¿Qué son los gravitones?
El trabajo establece por primera vez límites mediante detección indirecta a la posibilidad de que partículas de materia oscura se desintegren produciendo gravitones, las partículas hipotéticas que, en una descripción cuántica de la gravedad, transportarían la interacción gravitatoria.
La propuesta parte de una dificultad casi desesperante. Toda la evidencia disponible indica que la materia oscura interacciona gravitatoriamente, pero no sabemos si posee otras interacciones. Si la partícula que la constituye no está protegida por alguna simetría que garantice su estabilidad, podría desintegrarse poco a poco durante la historia del cosmos.
Una posibilidad particularmente esquiva sería que lo hiciera en forma de gravitones. Los físicos han conseguido imponer límites observacionales a desintegraciones de materia oscura que producen casi todas las partículas conocidas, incluidos los neutrinos, partículas subatómicas sin carga eléctrica y con una masa extremadamente pequeña que apenas interactúan con la materia.
El canal gravitatorio, en cambio, había permanecido fuera del alcance de estas técnicas.
El problema es evidente: ¿cómo detectar algo que se transforma precisamente en partículas que apenas interaccionan con la materia?
El efecto Gertsenshtein: cuando un gravitón se convierte en luz
La respuesta de Dunsky, Krnjaic y Pinetti consiste en aprovechar un fenómeno físico conocido desde hace más de seis décadas: el efecto Gertsenshtein. En presencia de un campo magnético, un gravitón puede convertirse en un fotón, y viceversa. La probabilidad de que esto suceda es muy pequeña, pero el universo ofrece algo de lo que ningún laboratorio terrestre dispone: distancias de miles de millones de años luz y enormes regiones magnetizadas.
➡️ «Los gravitones no son completamente oscuros», explican en esencia los investigadores.
Al atravesar regiones donde existen campos magnéticos, pueden transformarse en fotones mediante un proceso permitido por la física conocida. La única nueva hipótesis necesaria en el trabajo, subrayan los autores, es que la materia oscura pueda desintegrarse en gravitones; la posterior conversión de esos gravitones en luz no exige introducir una nueva interacción desconocida.Qué son los filamentos de la red cósmica
Scientists worked out how single gravitons can be detected, using quantum sensing of gravitational waves. Image credit: Pikovski research group. https://www.su.se/english/divisions/department-of-physics/news/articles/2024-09-03-how-to-catch-a-graviton
Qué son los filamentos de la red cósmica
Aquí entran en escena los filamentos cósmicos. A gran escala, la materia cósmica no está distribuida de manera uniforme. Galaxias y cúmulos dibujan una estructura parecida a una gigantesca telaraña: nodos densos conectados mediante filamentos que pueden extenderse a lo largo y ancho de decenas o centenares de millones de años luz, separados por enormes vacíos.
Esos puentes cósmicos contienen gas muy tenue y campos magnéticos débiles, pero extendidos a escalas colosales. Las estimaciones manejadas por el estudio sitúan sus campos actuales entre aproximadamente 1 y 600 nanogauss, con longitudes de coherencia de entre uno y diez megapársecs. En otras palabras, y dicho de forma más sencilla, los filamentos actúan como inmensos corredores magnéticos del universo. Sus campos son extremadamente débiles, pero se mantienen a lo largo de distancias gigantescas, lo que ofrece a los gravitones un enorme recorrido en el que, aunque sea con una probabilidad diminuta, pueden convertirse en fotones.
Además, dichos filamentos ocuparían alrededor del 10 % al 30 % del volumen del universo observable actual.
Miles de millones de años de viaje aumentan las posibilidades
Un gravitón nacido de la desintegración de una partícula de materia oscura podría atravesar muchos de estos filamentos durante su viaje hacia nosotros. En cada encuentro, la partícula fantasma tendría una posibilidad diminuta de transformarse en un fotón. Una posibilidad insignificante multiplicada por una distancia cosmológica y por un número enorme de encuentros deja de ser necesariamente irrelevante.
Es como comprar un billete para una lotería con una probabilidad prácticamente nula de ganar, pero poder repetir el sorteo una cantidad astronómica de veces.
Los autores calculan precisamente esa probabilidad acumulada. En su modelo de referencia adoptan un radio típico del filamento de unos dos megapársecs y una fracción de llenado del universo cercana al 15%. Además, toman una decisión conservadora: cuentan únicamente las conversiones producidas dentro de los filamentos.
Los gravitones también podrían transformarse en fotones en los campos magnéticos de cúmulos de galaxias o incluso de los vacíos cósmicos, por lo que incorporar esas contribuciones podría reforzar los límites obtenidos.
De los gravitones invisibles a los rayos gamma observables
La consecuencia observacional es fascinante. Si una fracción de la materia oscura se estuviera desintegrando en gravitones, algunos de estos acabarían convertidos en fotones de muy alta energía. Esos fotones llegarían desde todas las direcciones y pasarían a engrosar el fondo isotrópico de rayos gamma, esto es, una radiación difusa de rayos gamma que nos llega desde todas las direcciones del cielo y cuyo origen procede de la combinación de numerosas fuentes y procesos del universo.
Y ese cielo gamma lleva años siendo medido por el telescopio espacial Fermi-LAT, que fue puesto en órbita el 11 de junio de 2008 desde el cohete Delta II con el objetivo precisamente de estudiar las fuentes de rayos gamma del universo.
Los investigadores calcularon cuántos fotones producirían distintas combinaciones de masa y tiempo de vida de la materia oscura. Después compararon esos espectros teóricos con el fondo extragaláctico de rayos gamma observado. Si una determinada combinación predice más radiación gamma de la que realmente detecta Fermi, esa posibilidad puede descartarse.
Los primeros límites para la desintegración en gravitones
El resultado permite imponer los primeros límites de este tipo sobre la vida de una materia oscura que se desintegra en gravitones, para masas comprendidas aproximadamente entre 0,1 GeV y 10⁸ GeV. Esta horquilla resulta especialmente interesantes alrededor de la escala del teraelectronvoltio cuando los campos magnéticos de los filamentos alcanzan valores de unos 100 nanogauss o superiores.
Hay, sin embargo, una incertidumbre fundamental. No conocemos todavía con suficiente precisión la intensidad media de los campos magnéticos que recorren la red cósmica. Por eso, los investigadores presentan diferentes escenarios. Utilizan 100 nanogauss como referencia y 250 nanogauss como la opción más optimista. Cuanto mayor sea el campo magnético, mayor será la probabilidad de conversión gravitón-fotón y, por tanto, más estrictos pueden ser los límites sobre la desintegración de la materia oscura.
➡️ «Nuestros límites dependen significativamente del campo magnético supuesto en los filamentos», reconocen los autores.
Esa es hoy por hoy una de las principales incertidumbres del método. Pero también puede convertirse en una ventaja: a medida que las observaciones y simulaciones describan mejor el magnetismo de la red cósmica, la búsqueda podrá afinarse considerablemente.
El gran interrogante: cuánto magnetismo esconden los filamentos
Existe además otra complicación. Los fotones de energía muy elevada no atraviesan el cosmos intactos. Por encima de unos 100 GeV, pueden interaccionar con la radiación de fondo —la radiación electromagnética que llena el espacio y llega desde todas las direcciones, procedente de diferentes fuentes y procesos cósmicos, algunos de ellos muy antiguos— y producir pares electrón-positrón.
Estas partículas generan después nuevos fotones mediante diferentes procesos, desencadenando auténticas cascadas electromagnéticas.
Para reproducir ese viaje hasta la Tierra, el equipo utilizó el programa γ-Cascade V4. A energías iniciales superiores al TeV, esas cascadas terminan produciendo un espectro secundario aproximadamente universal.
El futuro telescopio APT podría mejorar la búsqueda
La siguiente generación de observatorios podría mejorar mucho el rastreo.
Dunsky, Krnjaic y Pinetti destacan el futuro Advanced Particle-astrophysics Telescope (APT), cuya sensibilidad a los rayos gamma podría superar aproximadamente en un orden de magnitud la de Fermi-LAT y permitir resolver muchas fuentes puntuales que a día de hoy quedan mezcladas dentro del fondo difuso.
Pero quizá la predicción más llamativa del trabajo no tenga que ver solo con la cantidad de rayos gamma, sino con el lugar del cielo del que deberían proceder.
Una firma sorprendente: buscar fuera del centro de la Vía Láctea
En muchas búsquedas convencionales de materia oscura se mira hacia el centro de la Vía Láctea, donde la densidad esperada de esta materia invisible es especialmente elevada. En este escenario ocurre algo distinto.
La conversión de gravitones en fotones necesita enormes distancias magnetizadas, de modo que la señal debería originarse principalmente fuera de nuestra galaxia.
Los investigadores consideran que una posible señal inequívoca sería un exceso estadísticamente significativo del fondo extragaláctico de rayos gamma acompañado por una contribución comparativamente pequeña procedente del centro galáctico. Incluso sugieren cruzar futuros mapas gamma con mapas de cúmulos y filamentos para comprobar si ambos siguen la misma estructura cósmica.
Lo que el estudio demuestra y lo que todavía no demuestra
La propuesta no constituye una detección de materia oscura ni demuestra que esta se desintegre. Lo que hace es algo más modesto, pero importante: convierte una posibilidad hasta ahora prácticamente invisible en una hipótesis susceptible de ser contrastada con observaciones.
Durante décadas, los filamentos de la red cósmica fueron considerados sobre todo el andamiaje sobre el que se organizan las galaxias. Ahora empiezan a revelarse también como enormes laboratorios de física fundamental. Mejorar las observaciones en radio y rayos X permitirá determinar con mayor precisión su magnetización y, con ello, reducir una de las principales incertidumbres del nuevo método.
Si esa información mejora y los telescopios gamma se vuelven más sensibles, esta estrategia podría llegar a descubrir materia oscura desintegrándose en gravitones o establecer algunos de los límites más exigentes del mundo sobre su tiempo de vida, señalan Dunsky, Krnjaic y Pinetti.
Es una curiosa vuelta de tuerca en la búsqueda de la materia más escurridiza del universo: para intentar ver algo esencialmente invisible, quizá haya que esperar a que sus restos recorran miles de millones de años luz, atraviesen los débiles campos magnéticos de la telaraña cósmica y, durante una fracción infinitesimal de ese viaje, se conviertan en luz.▪️(10-agosto-2026)
ASTRONOMÍA Y COSMOLOGÍA
LO MÁS IMPORTANTE DEL ESTUDIO, EN 30 SEGUNDOS
- ¿Qué han descubierto los investigadores? No han detectado materia oscura desintegrándose. Han desarrollado una nueva estrategia observacional que permite establecer los primeros límites mediante detección indirecta a la posible desintegración de materia oscura en gravitones. ```
- ¿Cómo pueden observarse los gravitones? El llamado efecto Gertsenshtein permite que un gravitón se transforme en un fotón al atravesar un campo magnético. Los filamentos de la red cósmica ofrecen campos magnéticos débiles, pero extendidos durante millones de años luz.
- ¿Qué señal buscan? Un exceso de rayos gamma extragalácticos generado por gravitones que se han convertido en fotones durante su viaje por el universo.
- ¿Qué observatorio utilizan? Los investigadores comparan sus predicciones con el fondo isotrópico de rayos gamma medido por el telescopio espacial Fermi-LAT. ```
Fuente: David I. Dunsky, Gordan Krnjaic and Elena Pinetti. Observing dark matter decays to gravitons via graviton-photon conversion. Physical Review D (202&). DOI: https://doi.org/10.1103/yvs5-67cj
