Los axiones: claves hacia un universo alternativo… que casi tocamos, pero fallamos

La búsqueda de la materia oscura sigue siendo uno de los desafíos más apasionantes y enigmáticos de la física moderna. La certeza sobre su existencia se basa en efectos gravitacionales observados a escala de galaxias y cúmulos, pero la sustancia en sí continúa eludiendo toda forma de observación directa. No emite luz, no la absorbe ni interactúa con ella de manera convencional. En este contexto, los axiones —hipotéticas partículas elementales— resultan especialmente atractivos: tienen interacciones extremadamente débiles con la materia ordinaria y podrían explicar la naturaleza de la masa invisible.

Dos grupos científicos independientes —uno con participación de investigadores de las universidades de Padua, Zaragoza, el Instituto Tecnológico de Dortmund y los centros DESY y SLAC; el otro, de la Universidad de California en Berkeley— abordaron la búsqueda de axiones desde un nuevo ángulo. En lugar de realizar experimentos de laboratorio, recurrieron a la astronomía, utilizando datos del telescopio espacial de rayos X NuSTAR, que observó las galaxias M82 y M87. Su hipótesis partía de que estas partículas podrían generarse en el interior de estrellas y dejar rastros tenues en forma de emisión de rayos X inusual.

Los autores del primer estudio se centraron en galaxias con intensa formación estelar, como la M82 —apodada informalmente “el Cigarro”—, rica en objetos masivos con temperaturas de cientos de millones de kelvin. En estas condiciones, procesos cuánticos en el plasma caliente permiten que los fotones se conviertan en axiones, aunque con bajísima probabilidad. Estas partículas hipotéticas, casi sin interactuar con su entorno, escaparían de las regiones densas y seguirían viajando por el espacio interestelar. Tras decenas de miles de años, se descompondrían, emitiendo radiación de rayos X.

Una característica clave del posible “resplandor” axiónico es su espectro: la emisión sería más energética que el fondo estándar y tendría una distribución angular específica, diferente de las fuentes comunes de rayos X en la galaxia.

El equipo liderado por Edoardo Vitagliano calculó en detalle cómo debería verse este “halo” de rayos X en torno a M82 si los axiones existen. Utilizando más de un millón de segundos de observación de NuSTAR, intentaron hallar ese halo —y no lo encontraron. La ausencia de señal les permitió establecer nuevos límites: si los axiones existen, su interacción con los fotones debe ser aún más débil de lo que se creía.

Aunque el descubrimiento no se materializó, los resultados ampliaron significativamente la frontera de los parámetros posibles. El equipo exploró una región de masas de axiones por debajo de un megaelectronvoltio, antes inaccesible o con sensibilidad insuficiente. M82 fue un objetivo ideal: combina alta densidad estelar con efectos relativistas moderados, lo que facilita la interpretación de los datos.

También se consideraron las consecuencias cosmológicas de encontrar axiones en ese rango de masa: podrían indicar que la temperatura al final de la inflación —la etapa temprana de expansión del universo— fue más baja de lo previsto. Eso abriría una ventana única para estudiar las condiciones de la cosmología primordial.

El grupo de Vitagliano planea extender sus observaciones a otras fuentes astronómicas. Les interesan regiones con condiciones extremas aptas para la producción de partículas nuevas, pero sin retardos significativos por dilatación temporal —efecto descrito por la relatividad especial.

Mientras tanto, los investigadores de Berkeley —Orion Ning y Benjamin Safdi— propusieron escalar un principio experimental conocido a nivel galáctico. Se trata del concepto de “luz a través de muros”, donde un fotón se convierte en axión, atraviesa un material opaco, y luego se reconvierte en fotón. En su versión astrofísica, las estrellas actúan como fuente: los fotones se transforman en axiones dentro del plasma estelar, atraviesan el medio interestelar y, al interactuar con campos magnéticos, generan un débil resplandor infrarrojo o de rayos X, detectable con telescopios espaciales como NuSTAR.

Ning y Safdi analizaron no solo M82, sino también la galaxia elíptica gigante M87. Su idea era que usar galaxias completas como fuentes aumentaría significativamente la densidad del flujo axiónico respecto a cálculos basados en estrellas individuales, elevando así la posibilidad de detección.

El análisis de los datos de NuSTAR tampoco encontró señales del resplandor axiónico. No obstante, los científicos lograron imponer límites aún más estrictos a la interacción de axiones de menos de 10⁻¹⁰ electronvoltios con los fotones, estableciendo una de las restricciones más rigurosas hasta la fecha para este tipo de partículas ligeras.

Actualmente, en Berkeley se están desarrollando nuevas direcciones: una de ellas busca axiones que interactúen no con fotones, sino con electrones. Otra línea estudia axiones generados por interacciones con nucleones, es decir, protones y neutrones. Estos escenarios involucran mecanismos de física nuclear y procesos termonucleares.

El grupo de Vitagliano, por su parte, explora un modelo en el que los axiones, sin descomponerse, se acumulan gravitacionalmente cerca de objetos estelares, formando “depósitos” detectables por otros telescopios, como el observatorio europeo INTEGRAL.

Aunque ninguna de las investigaciones detectó las partículas, ambas representan un paso esencial en la delimitación del territorio donde podrían encontrarse. Cada nuevo límite observado hace que futuras búsquedas sean más precisas —y acerca el día en que el misterio de la materia oscura obtenga por fin una explicación concreta.