Nuevos datos sobre la distribución de antimateria en el Universo

El Cúmulo Bala (1E 0657-56) es uno de los objetos más formidables del Universo conocido. Se trata de dos cúmulos galácticos en colisión, situados a 3800 millones de años-luz y con una masa combinada de 6·10¹⁵ masas solares. Como se puede apreciar en la imagen inferior, 1E 0657-56 exhibe una característica estructura en forma de arco en su parte derecha, resultado de la onda de choque producida cuando el gas a 70 millones de grados del subcúmulo atravesó hace 150 millones de años el gas a 100 millones de grados del centro del cúmulo principal, a una velocidad de poco menos del 1% de la velocidad de la luz. Este ha sido el evento más energético del que se tiene constancia desde el Big Bang. También ha sido la mejor evidencia hasta la fecha de la existencia de materia oscura: durante la colisión las estrellas no se ven prácticamente afectadas (más allá de las perturbaciones gravitatorias), pero el gas caliente emite grandes cantidades de rayos X y se ve frenado por la fricción; por su parte, la materia oscura no interactúa consigo misma ni con la materia ordinaria excepto por la gravedad, por lo que se mueve por delante del gas caliente, creando un efecto de lente gravitatoria que puede medirse. En la imagen inferior se muestra en rojo el gas caliente y en azul la distribución de materia oscura.

Credit: X-ray: NASA/CXC/CfA/M.Markevitch et al.; Optical: NASA/STScI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al.; Lensing Map: NASA/STScI; ESO WFI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al.

Aparentemente no sólo podemos obtener información sobre la materia oscura a partir de 1E 0657-56, sino que también podemos refinar nuestras estimaciones sobre la distribución de antimateria en el Universo. Es bien sabido que existe una asimetría en la cantidad de materia y antimateria presente en el Universo. Si durante la era GUT hubiera habido una simetría perfecta, la aniquilación entre partículas/anti-partículas hubiera resultado en un universo inundado de energía y con poca materia bariónica. Se han postulado diferentes mecanismos por los que la simetría pudo romperse en esta era primordial, al margen de lo cual la determinación empírica de la distribución de antimateria en el Universo sigue siendo un problema observacional. A pequeña escala, sabemos que en el Sistema Solar no hay cantidad significativa de antimateria: hemos establecido contacto directo con varios cuerpos del Sistema Solar, sin rastro de aniquilación. Más aún, el viento solar barre todo el sistema, y no se han detectado trazas de rayos gamma que indicaran el encuentro de materia y antimateria. A escala un poco más grande, los rayos cósmicos galácticos por un lado no muestran señal de antimateria en proporción superior a una millonésima. Por otro lado, una hipotética estrella de antimateria barrería el gas interestelar, produciendo nuevamente trazas de aniquilación. La evidencia experimental indica que no debe haber más de 1 entre 10,000 antiestrellas, cota que se ve notablemente reducida si se tiene en cuenta que los restos de la combustión de la antiestrella interactuarían con el medio interestelar dejando nuevas trazas, y éstas indican que la proporción de antimateria en la galaxia es inferior a 10^-15. Para proceder a escalas más grandes es preciso estudiar la colisión de galaxias, y más precisamente la relación entre el flujo de rayos X (producido por la fricción del gas) y el flujo de rayos gamma (producido por la aniquilación).

Credit: Gary Steigman, ArXiV astro-ph 0808.1122

El análisis de 55 cúmulos galácticos con alta emisión de rayos X indica que la proporción de antimateria en una escala de 10¹⁵ masas solares o unos pocos megaparsecs está acotada superiormente (no toda la radiación gamma ha de ser debida a aniquilación) por un valor que varía entre 5·10^-9 y 10^-6 (triángulos rojos en la figura superior) Para ir más allá y estimar la densidad de antimateria a mayor escala es necesario encontrar objetos de mayor magnitud, como los cúmulos en colisión del Cúmulo Bala. Esto es precisamente lo que ha hecho Gary Steigman, de la Ohio State University, en un trabajo titulado

• When Clusters Collide: Constraints On Antimatter On The Largest Scales

recién disponible en ArXiv (la figura superior está tomada de dicho trabajo). El análisis del flujo de rayos X y rayos gamma de este objeto permite obtener estimaciones en la escala de los 20 Mpc, resultantes en una fracción estimada de antimateria de 3·10^-6. Esta cota es más débil que la obtenida para los cúmulos individuales, pero sugiere en cualquier caso que el Cúmulo Bala está formado íntegramente de materia. Si hay antimateria en cantidades significativas en el Universo ha de estar en regiones separadas de la materia por distancias en el orden de decenas de Mpc.

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