Científicos proponen usar la ionosfera terrestre para desentrañar el misterio de la materia oscura
La materia oscura sigue siendo un enigma. Un equipo internacional de científicos ha desarrollado un método para detectarla aprovechando la ionosfera terrestre, donde «sus partículas» podrían transformarse en ondas de radio.
Por Enrique Coperías
La ionosfera terrestre, compuesta de un plasma de electrones libres e iones, podría ser una «trampa» para dar caza a la escurridiza materia oscura. Imagen generada con DALL-E
Un reciente estudio, liderado por investigadores de la Universidad de Ginebra, el CERN y la Universidad Sapienza de Roma, propone un método innovador para detectar materia oscura a través de su conversión resonante en ondas de radio de baja frecuencia en la ionosfera terrestre. En términos simples, la conversión resonante es un proceso donde las partículas de materia oscura se transforman en fotones detectables cuando su masa coincide con la frecuencia del plasma ionosférico, generando ondas de radio observables.
Publicado en la prestigiosa revista Physical Review Letters, este trabajo propone un enfoque novedoso que permite investigar aspectos de la materia oscura que antes no habían sido estudiados, y explorar nuevas condiciones y características que podrían revelar información clave sobre la naturaleza de la materia oscura.
La materia oscura, que se cree compone la mayor parte de la masa del universo, sigue siendo esquiva para los científicos. Se estima que aproximadamente el 27% del universo está compuesto por ella, una forma de materia que no emite, absorbe ni refleja luz, lo que la hace invisible para los instrumentos tradicionales. Junto con la energía oscura (68%) y la materia visible (5%), conforma la estructura y dinámica del cosmos.
Convertidas en fotones convencionales en la ionosfera
Durante décadas, los físicos han explorado candidatos teóricos como los fotones oscuros —partículas hipotéticas similares a los fotones normales, pero pertenecen al sector de la materia oscura— y los axiones —partículas hipotéticas extremadamente ligeras propuestas para resolver un problema de la física conocido como el problema CP fuerte—, y han estudiado sus posibles interacciones con partículas del modelo estándar —fermiones, bosones y bosón de Higgs— en condiciones específicas.
La propuesta de este equipo sugiere que estas partículas, esto es, los axiones y los fotones oscuros, pueden convertirse en fotones convencionales en la ionosfera, un proceso que permitiría su detección mediante antenas terrestres asequibles.
Según Carl Beadle, autor principal del artículo, la idea surgió al observar que este tipo de conversión resonante ya se había investigado en ambientes astrofísicos como estrellas de neutrones, la corona solar e incluso planetas como Júpiter.
Simulación de la formación de estructuras de materia oscura desde el universo primitivo hasta nuestros días. Cortesía: Ralf Kaehler/SLAC National Accelerator Laboratory, American Museum of Natural History
La ionosfera, un lugar idóneo para rastrear la materia oscura
Sin embargo, se preguntaron si un entorno más cercano y bien estudiado, como la ionosfera terrestre, podría ofrecer señales similares. En esta capa de la atmósfera terrestre, situada a entre aproximadamente 50 y 1.000 kilómetros de altitud, la radiación solar ioniza los átomos y moléculas para crear un plasma de electrones libres e iones.
En palabras de Carl Beadle, uno de los autores del estudio del Departamento de Física Teórica de la Universidad de Ginebra, la ionosfera es un plasma muy bien monitorizado y comprendido por los científicos, lo que la convierte en un lugar ideal para buscar estas señales.
El principio detrás de esta conversión resonante es que ocurre cuando la masa de las partículas de materia oscura coincide con la frecuencia característica del plasma ionosférico, que está relacionada con la densidad de electrones libres. Debido a que esta densidad varía con la altitud, la conversión podría producirse si la masa de la materia oscura está dentro de un rango adecuado, estimado entre 10^{-9} y 10^{-8} eV.
Este gráfico muestra que las ondas de materia oscura (en rojo) impulsan el plasma de la ionosfera para producir fotones (en verde) que se propagan hacia abajo (a la izquierda) hasta la superficie terrestre. Cortesía: Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.251001
Un enfoque con gran potencial
Los investigadores calcularon la tasa de conversión de estas señales teniendo en cuenta factores que podrían debilitarlas, como es el caso de la absorción y reflexión en el plasma. Luego analizaron cómo estas señales podrían ser detectadas por una antena dipolo pequeña, distinguiéndolas del ruido ambiental como señales no relacionadas.
Los resultados sugieren que este enfoque tiene un gran potencial para identificar axiones o fotones oscuros en experimentos reales.
Uno de los aspectos destacados de este método es su bajo coste y simplicidad técnica. Según el equipo, podría ser relativamente barato construir y poner en marcha las antenas necesarias, lo que lo convierte en una solución accesible para explorar un amplio rango de teorías sobre la materia oscura.
Además, dado que la ionosfera es un entorno tan bien conocido, las incertidumbres astrofísicas asociadas a este tipo de experimentos se reducen significativamente.
Una prometedora vía para desentrañar uno de los mayores misterios del cosmos
Este trabajo no solo amplía las posibilidades de detectar materia oscura, sino que ya está inspirando colaboraciones con grupos experimentales para poner a prueba estas predicciones. Según Beadle, algunos investigadores ya están analizando datos existentes en busca de señales y considerando la construcción de prototipos basados en este enfoque.
Sin duda alguna, esta investigación ofrece una nueva y prometedora vía para desentrañar uno de los mayores misterios del cosmos. Al aprovechar el entorno cercano de la ionosfera y tecnologías sencillas, se abre un camino más accesible y directo para detectar las partículas que podrían conformar la esquiva materia oscura. ▪️
Fuente: Carl Beadle, Andrea Caputo and Sebastian A. R. Ellis. Resonant Conversion of Wave Dark Matter in the Ionosphere. Physical Review Letters (2025). DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.251001
