¿Materia oscura alrededor de la Tierra?

Ahora, sin embargo, investigadores de las universidades japonesas de Kyoto, Hiroshima y Nihon acaban de darle un giro inesperado a la mayor 'cacería científica' de de las últimas décadas al inclinar la balanza hacia otros dos posibles candidatos: los axiones ultraligeros y los fotones oscuros. Ellos, de hecho, podrían ser los responsables de una misteriosa señal detectada 'aquí mismo', alrededor de la Tierra.

La materia oscura sigue siendo el gran 'elefante en la habitación' de la cosmología moderna. Los astrónomos saben perfectamente que está ahí por los enormes efectos gravitatorios que ejerce sobre las galaxias, manteniendo unidas sus estructuras. Sin embargo, no emite, no refleja y no absorbe la luz. Por lo que resulta del todo invisible para cualquiera de nuestros telescopios. Representa en torno al 27% de la masa total del Universo, frente a la minúscula fracción de la materia 'normal' (menos de un 5%) que compone todo lo que podemos ver, medir y tocar. ¿Pero de qué está hecha exactamente la materia oscura? Hasta el día de hoy, nadie lo sabe.

Aparte de los WIMPS, que hoy por hoy es la hipótesis dominante, otros dos de los candidatos teóricos favoritos de los físicos para explicar la materia oscura son unas partículas hipotéticas conocidas como axiones ultraligeros y fotones oscuros. Se trata de 'fantasmas' subatómicos verdaderamente minúsculos: en el rango de masa examinado por esta nueva investigación, estas partículas serían unas 10.000.000.000.000.000.000 (entre 19 y 21 órdenes de magnitud) veces más ligeras que un simple electrón. Una gran diferencia con los WIMPS, mucho más pesados y cuya masa estaría entre 20.000 y 20 millones de veces la del electrón.

Detectar algo tan extremadamente esquivo es una auténtica pesadilla técnica. Durante años, enormes esfuerzos internacionales han construido detectores bajo tierra para esquivar la radiación cósmica y detectar las escasísimas interacciones que podrían producirse entre partículas de materia oscura y materia convencional.

Experimentos de vanguardia, como el LUX-ZEPLIN (LZ) coordinado por Berkeley (el que llevó a cabo la posible detección de un WIMP hace unos días), emplean grandes tanques llenos de toneladas de xenón líquido ultrapuro para atrapar el tenue y casi inexistente choque de estas partículas oscuras. Paralelamente, otros proyectos han utilizado potentes imanes en recintos de laboratorio para forzar a los hipotéticos axiones a transformarse en luz ordinaria.

Pero el problema, como ocurre a menudo en ciencia, es una cuestión de escala. Porque por muy potente que sea un imán de laboratorio, su radio de acción es ridículo comparado con el tamaño del cosmos. Y aquí es donde entra en juego la idea del equipo japonés, liderado por Atsushi Taruya, cuyo trabajo acaba de publicarse en 'Progress of Theoretical and Experimental Physics'. En lugar de construir un nuevo detector confinado entre cuatro paredes, ¿por qué no utilizar el mundo entero?

«Nos preguntamos -afirma Taruya- si podríamos usar la Tierra misma como un detector gigante en la búsqueda. La cavidad entre la Tierra y la ionosfera actúa como un resonador natural que amplifica las ondas electromagnéticas justo alrededor del rango de masa que queríamos sondear».

De hecho, el espacio comprendido entre la superficie terrestre y la ionosfera (una capa cargada eléctricamente en lo alto de la atmósfera) funciona de forma similar a la caja de resonancia de una guitarra, aunque muchísimo mayor. Y resulta que esta gigantesca cavidad es el escenario perfecto para amplificar las debilísimas perturbaciones electromagnéticas que generarían los axiones y fotones oscuros al chocar con nuestro campo magnético.

El camino no fue sencillo. Los modelos teóricos previos se quedaban muy cortos, pues solo eran capaces de describir de forma fiable frecuencias por debajo de 1 hercio (Hz). Quedaba, por tanto, un enorme y valioso rango de frecuencias sin explorar. Para solucionarlo, los investigadores desarrollaron un nuevo y complejo marco matemático que incluye, por primera vez, la conductividad eléctrica real de nuestra atmósfera. Así, descubrieron que el planeta amplifica con enorme eficacia las señales cercanas a los 8 Hz, lo que les permitió realizar predicciones sumamente fiables de hasta 30 Hz.

Con este modelo en la mano, el equipo analizó minuciosamente diez años de mediciones del campo geomagnético de la Tierra, datos recopilados entre 2012 y 2022 por el Observatorio de Eskdalemuir del Servicio Geológico Británico. Tras limpiar matemáticamente el constante 'ruido' generado por la actividad humana, buscaron una señal constante, escondida en una banda de frecuencia muy estrecha, que delatara la presencia prolongada de materia oscura.

Los resultados son esperanzadores. Al utilizar la Tierra entera como escudo y antena, los investigadores han establecido límites cien veces más estrictos sobre la fuerza con la que los axiones pueden interactuar con la luz, superando de golpe al mejor experimento terrestre existente. Estos nuevos límites compiten cara a cara con las mediciones astrofísicas de los imponentes observatorios espaciales de rayos X de la NASA, como Chandra y NuSTAR. Además, el modelo predice que las señales de los axiones variarían geográficamente, alcanzando su máxima intensidad sobre el sudeste asiático.

Pero la mayor sorpresa llegó al aplicar el método a los fotones oscuros. A diferencia de los axiones, estas partículas no necesitan que haya un campo magnético presente para emitir ondas electromagnéticas. Y al rastrear los datos, los científicos identificaron varias 'señales candidatas' persistentes que encajan con el perfil exacto de un origen ligado a la materia oscura.

Los autores, como es lógico, piden máxima prudencia: el origen de estas señales sigue siendo desconocido y todavía no se pueden confirmar como una prueba irrefutable de materia oscura, ya que otras interferencias exóticas podrían estar engañando a los instrumentos. Sea como fuere, la verdadera identidad de la materia oscura sigue oculta, pero el equipo de Taruya ha demostrado que la respuesta a nuestros grandes interrogantes cósmicos podría estar, de forma literal, vibrando silenciosamente en el mismísimo aire que nos rodea.