Los efectos de plasmones en las magnetosferas de estrellas de neutrones podrían plantear nuevos límites en la detección de axiones.

19 de septiembre de 2025

por Ingrid Fadelli, Phys.org

escritora colaboradora

editado por Sadie Harley, revisado por Robert Egan

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La materia oscura es un tipo evasivo de materia que no emite, refleja ni absorbe luz, pero se predice que es responsable de la mayor parte de la masa del universo. Ya que no puede ser detectada ni estudiada utilizando técnicas experimentales convencionales, la naturaleza y composición de la materia oscura aún no se han descubierto.

Uno de los candidatos más prometedores a materia oscura (es decir, partículas hipotéticas de las que podría estar hecha la materia oscura) son los axiones. La teoría sugiere que los axiones podrían convertirse en partículas de luz (es decir, fotones) bajo condiciones específicas, lo que a su vez podría generar señales que pueden ser captadas por equipos sofisticados.

En campos magnéticos fuertes, como los que rodean a las estrellas de neutrones con grandes campos magnéticos (es decir, los magnetars), se ha predicho que la conversión de los axiones en fotones generaría señales de radio débiles que podrían ser detectadas utilizando potentes radiotelescopios terrestres o espaciales.

Investigadores del Instituto Politécnico de Lisboa y otros institutos recientemente mostraron que algunas de estas señales de radio podrían perderse antes de atravesar el espacio debido a interacciones entre los axiones y el plasma en las magnetosferas de los magnetars, regiones alrededor de las estrellas de neutrones en las que dominan los campos magnéticos.

Su artículo, publicado en Physical Review Letters, podría informar la mejora de estrategias destinadas a detectar axiones de materia oscura utilizando radiotelescopios.

'Nuestro estudio surgió de una simple conversación de 'qué pasaría' con mis coautores,' dijo Hugo Terças, Profesor Asistente en el Instituto Superior de Engenharia de Lisboa y primer autor del artículo, a Phys.org.

'Estábamos debatiendo ideas sobre cómo los axiones podrían interactuar con plasmones, que son básicamente las 'ondas' colectivas en un plasma. Una vez que nos dimos cuenta de que una conversación 'podría' ocurrir entre ellos, el siguiente paso lógico fue encontrar el lugar perfecto en el universo donde esto podría suceder.'

Después de discutir sobre las posibles condiciones en las que los axiones podrían interactuar con el plasma, los investigadores identificaron el entorno extremo que se espera que rodee a los magnetars. Esta región en el espacio, conocida como la magnetosfera, finalmente ofreció un escenario ideal en el que podrían probar su idea.

'Imagina que investigadores anteriores estaban escuchando una nota específica de una flauta distante (la señal de axiones),' explicó Terças.

'Calcularon cuán fuerte debería ser esa nota. Nuestro trabajo descubrió que la flauta tiene una fuga. Antes de que el sonido nos alcance, parte del aire (aquí, los axiones) escapa a través de esta fuga hacia un instrumento diferente que está silenciado y no se puede escuchar (los plasmones). Entonces, la nota que intentamos escuchar es mucho más suave de lo que cualquiera calculó.'

Esencialmente, Terças y sus colegas llevaron a cabo un análisis exhaustivo con el fin de medir hasta qué punto las señales asociadas con la conversión de axiones en fotones “escaparían” debido a las interacciones con plasmones (es decir, partículas de plasma).

Sus hallazgos sugieren que al considerar esta fuga, las señales que viajan por el espacio serían mucho más tenues de lo originalmente predicho, lo que significa que los radiotelescopios necesitarían ser mucho más sensibles de lo que son ahora para captarlas.

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'Creo que la parte más emocionante de nuestro trabajo es cuán universal es este mecanismo subyacente,' dijo Terças. 'Lo descubrimos en el contexto extremo de la materia oscura y los magnetars, pero es un proceso fundamental que surge en toda la física. Un ejemplo perfecto está en la investigación de fusión nuclear, en reactores en forma de dona llamados tokamaks.'

'Los científicos utilizan este mismo principio para calentar el plasma: emiten ondas electromagnéticas, que se convierten en ondas de plasma y depositan su energía, calentando el sistema. ¡Es la misma física!'

Interesantemente, el efecto relacionado con la interacción de plasmones descrito por los investigadores también podría ser relevante para otros temas más allá de la física de la materia oscura. De hecho, su artículo ofrece un nuevo marco que podría determinar la comprensión de la conversión de energía en una amplia gama de sistemas físicos.

"Nuestro estudio muestra cómo la física fundamental conecta campos aparentemente no relacionados", dijo Terças. "Nuestro gran plan para futuras investigaciones es cambiar completamente el guion. En este momento, la búsqueda con radiotelescopios es pasiva: los astrónomos están esperando a que una estrella distante nos envíe una señal. Queremos pasar de ser oyentes pasivos a creadores activos." Como parte de su trabajo futuro, Terças y sus colegas también esperan lograr exitosamente axiones dentro de su laboratorio. Para tener éxito en este esfuerzo, primero necesitarían crear una especie de 'plasma sintético'. "Un 'plasma sintético' es un material fabricado que imita las condiciones extremas de la magnetosfera de un magnetar, pero en una mesa", agregó Terças. "Esto nos permitiría ajustar el entorno y crear las condiciones perfectas para inducir que las axiones aparezcan a través de este mecanismo de conversión que hemos descubierto. Es una forma mucho más directa de buscarlas." Escrito para usted por nuestra autora Ingrid Fadelli, editado por Sadie Harley, y revisado por Robert Egan, este artículo es el resultado de un cuidadoso trabajo humano. Dependemos de lectores como usted para mantener viva la periodismo científico independiente. Si este informe es importante para usted, por favor considere hacer una donación (especialmente mensual). Obtendrá una cuenta sin publicidad como agradecimiento. Más información: H. Terças et al, Resonant Axion-Plasmon Conversion in Neutron Star Magnetospheres, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/5hbb-yy48. Información del diario: Physical Review Letters © 2025 Science X Network"