Cazador de materia oscura que encontró inesperadas 'burbujas de Fermi' gigantes gana un premio de física de $ 100,000

Tracy Slatyer, conocida por cazar materia oscura en nuestra galaxia y descubrir evidencia de una antigua explosión de la Vía Láctea, ganó un premio de $ 100,000 financiado por multimillonarios de la tecnología.


Tracy Slatyer estaba buscando materia oscura cuando ayudó a descubrir las burbujas de Fermi, representadas aquí en una imagen que combina luz visible, rayos X y rayos gamma.
(Imagen: © NASA Goddard)

Nota del editor: Esta historia se corrigió a las 12:30 pm EDT para señalar que Slatyer recibió $ 100,000, no $ 50,000, por su trabajo.

Tracy Slatyer, conocida por cazar materia oscura en nuestra galaxia y descubrir evidencia de una antigua explosión de la Vía Láctea, ha ganado un premio New Horizons de física de 100.000 dólares.

Slatyer, un físico del MIT originario de Australia, es famoso por ser el co-descubridor de las "Burbujas de Fermi". Mientras buscaban indicios de la firma de la materia oscura en los rayos gamma que emanaban del centro de la Vía Láctea, ella y sus colegas encontraron estructuras nunca antes vistas que se extendían muy por encima y por debajo del disco galáctico: réplicas de un estallido de un agujero negro de millones de Hace años que se conocieron como "burbujas de Fermi" en honor al telescopio espacial de rayos gamma Fermi. Pero Slatyer todavía está buscando materia oscura y ha encontrado indicios prometedores (aunque todavía tentativos) de la materia en el centro galáctico.


El premio New Horizons, otorgado por la Breakthrough Prize Foundation cada año, es para investigadores de "carrera temprana" como Slatyer, quien obtuvo su Ph.D. en 2010 y fue contratado en el MIT en 2013. Los premios de New Horizons son más pequeños que los premios de $ 3 millones que Breakthrough entrega cada año, generalmente a científicos de mayor edad y más establecidos. Slatyer fue el único ganador en solitario de un premio New Horizons en Física 2021, y los otros dos premios fueron para equipos de investigación de cuatro miembros cada uno. El dinero del premio es donado por un grupo de multimillonarios de la tecnología (Sergey Brin, Anne Wojcicki, Mark Zuckerberg, Priscilla Chan, Yuri Milner, Julia Milner, Jack Ma y Pony Ma).

Breakthrough otorgó a Slatyer el premio "Por sus importantes contribuciones a la astrofísica de partículas, desde modelos de materia oscura hasta el descubrimiento de las" Burbujas de Fermi ".

Slatyer pasa gran parte de su tiempo refinando modelos de materia oscura, averiguando con precisión cómo podrían comportarse sus partículas y las implicaciones de esas diferentes posibilidades. Y el resto de su tiempo lo dedica a cazarlos.

"Fue una completa sorpresa", dijo Slatyer a WordsSideKick.com. "El premio ni siquiera estaba en mi radar".

Rastros de rayos gamma de materia oscura

Aproximadamente el 84% de la masa del universo es materia oscura, que no emite luz pero ejerce una atracción gravitacional. Los científicos no saben qué es esa materia oscura ni de dónde viene. Pero los físicos pueden ver evidencia indirecta de la materia oscura a través de sus efectos gravitacionales sobre la materia luminosa (lo que podemos ver). Los movimientos y arreglos de las galaxias, el comportamiento de la luz en vastas regiones del espacio y la estructura del universo sugieren la presencia de algo ahí fuera que no podemos detectar directamente, gran parte de él agrupados en "halos" alrededor de grandes galaxias como la vía Láctea.

En este momento, la detección directa de materia oscura es uno de los mayores objetivos de la física. Eso es gran parte de lo que Slatyer ha intentado hacer en su carrera. Pero hasta ahora, la materia oscura ha sido muy buena para esconderse ...

"Si interactúa con las otras fuerzas que conocemos", como el electromagnetismo o la fuerza débil y la fuerza fuerte en los núcleos atómicos, "lo hace de manera bastante débil", dijo Slatyer.

Pero hay razones para pensar que interactúa un poco con otros asuntos. La pista está en ese número, 84%. Los físicos tienden a pensar en los números en términos de "órdenes de magnitud". Significado: ¿Son muy pequeños, pequeños, medianos, grandes, muy grandes, muy muy grandes o qué? El número exacto importa, pero también lo es la categoría general a la que pertenece. Y el 84%, desde la perspectiva de un físico, es un número de tamaño mediano. No está claro por qué la porción de materia oscura del universo debería ser de tamaño mediano.

"¿Por qué está en el mismo estadio que el 50%?" Dijo Slatyer. "¿Por qué no es el 99,999%? ¿O el 0,0001% por ciento de la materia del universo?"

Una posible explicación: la materia oscura interactúa periódicamente con otras partículas de materia, pero solo débilmente. Hay otras partículas como esta: los neutrinos están a nuestro alrededor, pero rara vez interactúan y solo se pueden detectar con equipos muy sensibles. En los primeros días del universo, cuando todo era más caliente, más denso y más cercano, esas interacciones ocurrían todo el tiempo. La estrecha presión habría aumentado drásticamente las probabilidades de que una partícula de materia oscura se encontrara con otra partícula. Pero con el tiempo, el universo se expandió y esas interacciones se volvieron menos comunes.

Hay una interacción hipotética particular que hace un buen trabajo al producir un universo de materia oscura al 84% en modelos astrofísicos: si las partículas de materia oscura que chocan entre sí formaran partículas de materia ordinaria, eso reduciría la cantidad de materia oscura en el universo a lo largo del tiempo. Sin embargo, una interacción que puede ocurrir en una dirección también puede ocurrir en la otra, por lo que las partículas luminosas a veces chocan para formar materia oscura.

Con el tiempo, dijo Slatyer, estas dos interacciones llevarían a la materia oscura a un equilibrio, dijo Slatyer. Una vez que acepte esa imagen general, puede calcular las propiedades de la materia oscura que habrían llevado a nuestro universo de materia oscura al 84%.

"Si hace este cálculo, encuentra que es bastante consistente con [lo que sucedería] si la materia oscura fuera de una masa similar a las partículas [luminosas] más pesadas ... e interactuara con una fuerza comparable a la fuerza nuclear débil", dijo. dijo.

(En este marco, probablemente interactúe con la fuerza nuclear débil. Pero los físicos dejan abierta la posibilidad de que interactúe con una fuerza desconocida que es muy similar a la fuerza débil).
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Cuando los físicos de partículas saben que ese rango de masas chocan entre sí, producen fotones (partículas de luz) con decenas o cientos de gigaelectronvoltios (GeV) de energía.

"Y los fotones con decenas o cientos de GeV de energía los llamamos rayos gamma ", dijo.

Si los WIMP están ahí afuera, ocasionalmente chocando entre sí, deberían producir un tenue brillo de rayos gamma que los investigadores teóricamente podrían detectar. Buscando esos rastros

Es por eso que gran parte de la búsqueda de materia oscura de Slatyer se basa en gran medida en los datos del telescopio espacial de rayos gamma Fermi de la NASA. Un área donde busca rayos gamma es en el grupo más cercano de materia oscura que conocemos: la parte más densa del halo de la Vía Láctea, justo cerca de su centro.

El problema es que el centro de la Vía Láctea tiene muchas otras fuentes de rayos gamma, algunas de las cuales no conocemos. Para identificar los rayos gamma que provienen de la materia oscura, los investigadores primero deben modelar exactamente cómo debería verse la señal de los rayos gamma de la materia oscura. Luego necesitan un "modelo de fondo", una imagen detallada de todas las otras fuentes conocidas de rayos gamma que provienen de esa parte del cielo. Eso es todo lo que tienen que ignorar.

Si Slatyer y sus colegas alguna vez toman una foto de la materia oscura de la Vía Láctea, lo harán estudiando una gran cantidad de fotones de rayos gamma detectados en esa parte del espacio y restando todos los fotones que pueden explicarse sin la materia oscura. Los modelos sugieren que la solución debería dejar solo un pequeño remanente, medido en unas pocas docenas de partículas individuales de rayos gamma durante una década de observaciones de Fermi de la Vía Láctea, proveniente de las interacciones de la materia oscura.

A principios de la década de 2010, Slatyer y sus colaboradores pensaron que habían encontrado ese pequeño exceso. El estudio cuidadoso de los datos de Fermi del centro de la Vía Láctea sugirió una forma bulbosa y vaga en el espectro de rayos gamma.


"Parecía casi un huevo peludo", dijo.

Eso coincidía estrechamente con la imagen esperada del halo de la Vía Láctea.

Pero con el tiempo, refinaron su imagen de ese exceso, como una cámara que se enfoca lentamente. Finalmente, vieron que la forma tenía bordes afilados y una cintura apretada, más como un reloj de arena que la esperada mancha difusa. La explicación: una salida de materia luminosa de la región alrededor del agujero negro en el centro de nuestra galaxia, el rastro de una explosión en las últimas decenas de millones de años. Llamaron a estas estructuras nunca antes vistas las "burbujas de Fermi".

Ahora, dijo Slatyer, ella y sus colegas están enfocados en un nuevo exceso de rayos gamma descubierto en los datos de Fermi. Es tenue, pero parece coincidir mucho con la imagen de la bola borrosa.

Una vez más, sin embargo, los investigadores no están seguros de si han tropezado con una señal de materia oscura u otra fuente de fondo nunca antes vista. El exceso coincide con la señal que se espera que provenga de la colisión de WIMP, pero también podría explicarse por una población desconocida de púlsares de milisegundos: pequeñas estrellas de neutrones girando a velocidades increíbles. Hay muchos púlsares de milisegundos en la Vía Láctea, pero esto requeriría muchos más de los esperados, distribuidos alrededor del centro galáctico.

Ahora, dijo Slatyer, ha comenzado la búsqueda de estos púlsares. Los "puntos calientes" en las imágenes de rayos gamma o ondas de radio del cielo, o cualquier evidencia de pulsaciones en los datos delgados, sugerirían que una vez más los investigadores descubrieron accidentalmente un nuevo objeto galáctico que no es materia oscura.

"Si me mostraras una población densa de púlsares en esta región, entonces estaría muy feliz de decir que el exceso es de púlsares", dijo.

Si ese descubrimiento se acerca, podría llegar en los próximos años, gracias a MeerKAT, un conjunto de radiotelescopios en Sudáfrica que debería poder encontrar púlsares individuales en esa parte del espacio. Pero demostrar, en cambio, que el exceso es materia oscura sería más difícil y llevaría mucho más tiempo.

"Obviamente, como física de partículas, estaría feliz si fuera materia oscura", dijo.
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Pero es posible, dijo que este exceso y el siguiente y el siguiente resultan ser otras características del universo que nadie había estado buscando. Puede que no sea materia oscura, pero sigue siendo bastante bueno.

"Esa es una de las cosas que realmente me gustan de este campo", dijo. "Es un poco ingrato ser como '¡No, universo! ¡No me diste el descubrimiento que quería!'"

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