La línea de rayos gamma a 130 GeV de Fermi-LAT apunta a fluctuación estadística

Muchos físicos creen que la famosa línea de rayos gamma observada a 133 GeV por el telescopio espacial Fermi LAT en el centro de la Vía Láctea es una señal de la aniquilación de partículas de materia oscura tipo WIMP. La búsqueda de líneas similares en cinco regiones de la Vía Láctea alejadas del centro ha sido infructuosa. Un análisis de los datos de los últimos 4,4 años basado en métodos de Montecarlo indica una significación local de 2,9 σ y significación global de 1,0 σ. Por tanto, todo indica que se trata de una simple fluctuación estadística. Nos ofrece todos los detalles técnicos del análisis Michael Gustafsson (for the Fermi-LAT collaboration), «Fermi-LAT and the Gamma-Ray Line Search,» arXiv:1310.2953 [astro-ph.HE], 10 Oct 2013.

GRB 130427A, el mayor estallido de rayos gamma observado por Fermi LAT

El telescopio espacial de rayos gamma Fermi observó gracias a su mayor instrumento, el telescopio de gran área LAT, un estallido de rayos gamma cerca del polo note galáctico con una energía total de 94 GeV (el de mayor energía hasta el momento) y cuya emisión duró casi un día (la mayor duración hasta el momento). Se estima que su fuente está muy cerca, z=0,34 (sólo el 5% de los GRB está tan cerca). Un fotón con una energía de ∼72 GeV llegó a los 18,6 segundos tras el inicio del estallido GRB 130427A, lo que permite acotar las variaciones de la velocidad de la luz con la energía; pero el límite que se obtiene es peor que el logrado en 2009 gracias a un fotón de 31 GeV que llegó 0,73 segundos tras el inicio del estallido GRB 090510 [más información en este blog]. Ello no quita que el famoso Giovanni Amelino-Camelia y varios colegas hayan tratado de hacerlo utilizando un «truco» curioso. Más info sobre el estallido en «NASA’s Fermi, Swift See ‘Shockingly Bright’ Gamma-ray Burst,» NASA, 3 May 2013, y en múltiples fuentes.

El limbo de la Tierra visto en rayos gamma por el telescopio Fermi LAT de la NASA

La fuente más brillante de rayos gamma que puede observar el telescopio espacial Fermi LAT de la NASA es el limbo de la Tierra. Los protones de alta energía que inciden en la atmósfera terrestre producen los rayos cósmicos, cascadas de partículas, que observamos en la superficie, pero además producen partículas rayos gamma (fotones de alta energía) que abandonan la atmósfera en una dirección tangencial en el limbo de la Tierra. Nos presenta esta curiosa imagen (que yo no había visto hasta ahora) Igor V. Moskalenko (Stanford Univ.), «Cosmic Rays in the Milky Way and Beyond,» SpacePart2012, Nov. 6, 2012 [slides, vídeo 28 min].

El problema de la línea de rayos gamma de 130 GeV observada por Fermi-LAT

En la región del centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea, el telescopio de rayos gamma Fermi-LAT (Large Area Telescope) ha observado un exceso a 4,6 sigmas locales (solo 3,2 sigmas globales) con una energía de 130 GeV que podría corresponder a la aniquilación de materia oscura en fotones (rayos gamma), con una sección eficaz de 10⁻²⁷ cm³/s. Dicha observación se ha obtenido gracias a la publicación de los primeros 43 meses de observaciones de Fermi-LAT. Nos resume el análisis estadístico de la señal Christoph Weniger, «Tentative observation of a gamma-ray line at the Fermi LAT,» arXiv:1210.3013, Subm. 10 Oct 2012.

Una técnica de análisis estadístico sesgada para la búsqueda de picos en los datos de Fermi-LAT ha obtenido una señal aún más clara, con un confianza estadística de 6,5 sigmas para una línea espectral con una energía de 127,0 ± 2,0 GeV; aunque también podría tratarse de dos líneas más delgadas situadas en 110,8±4,4 GeV y 128,8±2,7 GeV compatibles con la desintegración de una partícula WIMP (un neutralino) con una masa de 127,3 ± 2,7 GeV en los canales γγ y γZ. Obviamente, esta segunda posibilidad está mucho menos clara en los datos. Nos lo contaron Meng Su, Douglas P. Finkbeiner, «Strong Evidence for Gamma-ray Line Emission from the Inner Galaxy,» arXiv:1206.1616, Subm. 7 Jun 2012.

El mayor problema de esta señal es que si la línea observada corresponde a partículas de materia oscura, éstas deberían haber sido observadas en los experimentos de búsqueda directa en curso. Por tanto, debe haber alguna otra explicación a la observación realizada por Fermi-LAT. Lo más razonable es que se trate de un error sistemático en los instrumentos de medida. Un estudio de los datos de Fermi-LAT que ha buscado sistemáticamente picos alrededor de 130 GeV ha encontrado uno asociado al limbo de la Tierra (la zona alrededor de la Tierra vista por este telescopio) con 4,7 sigmas locales. No existe ninguna fuente física real de esta señal, que obviamente es espuria (un error sistemático en los detectores). Aunque aún no hay ningún modelo que explique por qué los detectores pueden fallar de esta forma, los descubridores de esta anomalía creen que la señal observada en el centro galáctico podría tener el mismo origen, siendo un error sistemático de los instrumentos. Nos lo contaron Douglas P. Finkbeiner, Meng Su, Christoph Weniger, «Is the 130 GeV Line Real? A Search for Systematics in the Fermi-LAT Data,» arXiv:1209.4562, Subm. 20 Sep 2012. Un estudio posterior apunta a que no es un error instrumental, sino solo una fluctuación estadística, en concreto Andi Hektor, Martti Raidal, Elmo Tempel, «Fermi-LAT gamma-ray signal from Earth Limb, systematic detector effects and their implications for the 130 GeV gamma-ray excess,» arXiv:1209.4548, Subm. 20 Sep 2012.

No había hablado aún en este blog de la línea a 130 GeV observada por Fermi-LAT porque todo indica que se trata de una línea espuria, una fluctuación estadística o un error instrumental. Sin embargo, muchos físicos siguen desarrollando modelos para la materia oscura capaces de mostrar esta señal y no mostrar ninguna en el resto de los detectores directos de materia oscura. Así seguirá ocurriendo mientras no se descubra la solución definitiva a este problema. Quizás baste acumular más datos y la fluctuación estadística observada empezará a reducirse hasta desaparecer.

Fermi LAT detecta por primera vez la emisión de rayos gamma de alta energía en un microcuásar (Cygnus X-3)

Los microcuásares son sistemas binarios en los que una estrella de neutrones o un agujero negro acreta materia de su compañera y que presentan un chorro relativista transversal al disco de acreción. Por primera vez el telescopio espacial Fermi de rayos gamma ha sido capaz de localizar sin ambigüedad uno de estos chorros de alta energía en un microcuásar, Cygnus X-3, una poderosa fuente binaria de rayos-X. Se trata de una emisión variable cuyo análisis detallado permitirá conocer mejor la dinámica y formación de estos chorros relativistas en discos de acreción. El artículo técnico es A. A. Abdo et al. (The Fermi LAT Collaboration), «Modulated High-Energy Gamma-Ray Emission from the Microquasar Cygnus X-3,» Science Express, Published Online November 26, 2009. Este artículo coincide esta semana con otro que proclama prácticamente el mismo descubrimiento pero realizado por el satélite de la Agencia Espacial Italiana AGILE (Astro-rivelatore Gamma ad Immagini Leggero) que estudia con detalle las emisiones de rayos X de la región Cygnus. M. Tavani et al., «Extreme particle acceleration in the microquasar Cygnus X-3,» Nature, Advance online publication 22 November 2009 [disponible gratis en ArXiv].

Cygnus X-3 (Cyg X-3) es una poderosa fuente binaria de rayos X en la que un objeto compacto entre 10 y 20 masas solares orbita una estrella de tipo Wolf–Rayet. El objeto compacto podría ser una estrella de neutrones con un disco de acreción extremadamente masivo o un agujero negro. El espectro de rayos X de Cyg X-3 es inusualmente complejo y muestra hasta 5 estados claramente diferenciados de emisión. Este espectro es mucho más complejo que el del microcuásar más famoso, Cygnus X-1, que no presenta emisión de rayos gamma de alta energía (GeV). El artículo en Nature afirma que la diferencia entre ambos es la existencia de un mecanismo de aceleración de partículas  que periódicamente produce emisiones miles de veces más energéticas que las emisiones que se observan en su estado de reposo.

Los dos estudios publicados esta semana en Nature y Science se complementan mutuamente. El trabajo de la colaboración Fermi demostrando unívocamente que la emisión de rayos X de alta energía tiene a Cyg X-3 como fuente es importante porque está separado sólo por 30 arcmin. de un púlsar muy brillante PSR J2032+4127. Los investigadores han evitado el efecto de dicho púlsar tomando datos de Cyg X-3 sólo cuando su emisión es mínima, lo que reduce a sólo el 20% el tiempo de exposición del Telescopio de Gran Apertura (LAT) de Fermi. Además, se ha requerido de un análisis estadístico de los datos muy cuidadoso pero evitar toda posible ambigüedad.

En resumen, dos trabajos que nos permitirán confrontar mejor los resultados de los modelos de simulación de microcuásares con los resultados experimentales que tanto Fermi como AGILE están obteniendo de Cygnus X-3.