domingo, 23 de agosto de 2015

The tumultuous heart of our Galaxy

This new image, from work led by Dr Gabriele Ponti and published in Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, shows the powerful remnants of dead stars and their mighty action on the surrounding gas from ESA's XMM-Newton X-ray observatory, revealing some of the most intense processes taking place at the centre of our galaxy, the Milky Way.
X-ray view of the Galactic CentreThe central regions of our galaxy, the Milky Way, seen in X-rays by ESA’s XMM-Newton X-ray observatory. This image portrays powerful remnants of dead stars and their mighty action on the surrounding gas, showing us an unprecedented view of the Milky Way's energetic core. It was put together in a new study by compiling all observations of this region that were performed with XMM-Newton, adding up to over one month of monitoring in total. The image combines data collected at energies from 0.5 to 2 keV (shown in red), 2 to 4.5 keV (shown in green) and 4.5 to 12 keV (shown in blue). It spans about 2.5º across, equivalent to about one thousand light-years. Credits: ESA/XMM-Newton/G. Ponti et al. 2015The bright, point-like sources that stand out across the image trace binary stellar systems in which one of the stars has reached the end of its life, evolving into a compact and dense object – a neutron star or black hole. Because of their high densities, these compact remnants devour mass from their companion star, heating the material up and causing it to shine brightly in X-rays.
The central region of our galaxy also contains young stars and stellar clusters, and some of these are visible as white or red sources sprinkled throughout the image, which spans about one thousand light-years.
Most of the action is occurring at the centre, where diffuse clouds of gas are being carved by powerful winds blown by young stars, as well as by supernovas, the explosive demise of massive stars.
The supermassive black hole sitting at the centre of the Galaxy is also responsible for some of this action. Known as Sagittarius A*, this black hole has a mass a few million times that of our Sun, and it is located within the bright, fuzzy source to the right of the image centre.
While black holes themselves do not emit light, their immense gravitational pull draws in the surrounding matter that, in the process, emits light at many wavelengths, most notably X-rays. In addition, two lobes of hot gas can be seen extending above and below the black hole.
Astronomers believe that these lobes are caused either directly by the black hole, which swallows part of the material that flows onto it but spews out most of it, or by the cumulative effect of the numerous stellar winds and supernova explosions that occur in such a dense environment.
This image, showing us an unprecedented view of the Milky Way's energetic core, was put together in a new study by compiling all observations of this region that were performed with XMM-Newton, adding up to about one and a half monthsof monitoring in total.

The large, elliptical structure to the lower right of Sagittarius A* is a super-bubble of hot gas, likely puffed up by the remnants of several supernovas at its centre. While this structure was already known to astronomers, this study confirms for the first time that it consists of a single, gigantic bubble rather than the superposition of several, individual supernova remnants along the line of sight.
Another huge pocket of hot gas, designated the 'Arc Bubble' due to its crescent-like shape, can be seen close to the image centre, to the lower left of the supermassive black hole. It is being inflated by the forceful winds of stars in a nearby stellar cluster, as well as by supernovae; the remnant of one of these explosions, a candidate pulsar wind nebula, was detected at the core of the bubble.
The Galactic Centre through the emission of heavy elementsThe central regions of our galaxy, the Milky Way, seen in X-rays by ESA’s XMM-Newton X-ray observatory. This image combines data collected at energies that correspond to the light emitted by heavy elements such as silicon and argon, which are produced primarily in supernova explosions, as well as other narrow energy bands. It spans about 2.5º across, equivalent to about one thousand light-years. Credits: ESA/XMM-Newton/G. Ponti et al. 2015The rich data set compiled in this study contains observations that span the full range of X-ray energies covered by XMM-Newton; these include some energies corresponding to the light emitted by heavy elements such as silicon, sulphur and argon, which are produced primarily in supernova explosions. By combining these additional information present in the data, the astronomers obtained another, complementary view of the Galactic Centre, which reveals beautifully the lobes and bubbles described earlier on.
In addition, this alternative view also displays the emission, albeit very faint, from warm plasma in the upper and lower parts of the image. This warm plasma might be the collective macroscopic effect of outflows generated by star formation throughout this entire central zone.
Another of the possible explanations for such emission links it to the turbulent past of the now not-so-active supermassive black hole. Astronomers believe that, earlier on in the history of our galaxy, Sagittarius A* was accreting and ejecting mass at a much higher rate, like the black holes found at the centre of many galaxies, and these diffuse clouds of warm plasma could be a legacy of its ancient activity.

Dos experimentos se adentran en el lado oscuro del universo

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Experimento para medir la fuerza entre una esfera de aluminio y átomos de cesio en la cámara de vacío de un interferómetro atómico. / Holger Müller
Si la energía oscura se esconde en forma de partículas hipotéticas llamadas ‘camaleones’, investigadores de la Universidad de California en Berkeley (EE UU) tratan de sacarlas a la luz. Son una de las candidatas para explicar la energía oscura, esa fuerza que se cree impulsa al universo en su expansión.
Los científicos consideran que la masa de los camaleones varía según la densidad energética del entorno. El rango de la fuerza mediada por esta partícula se prevé que sea muy pequeño en regiones de alta densidad (por ejemplo en la Tierra, por eso es tan difícil de detectar), pero mucho más grande en las regiones intergalácticas, donde hay una baja densidad.
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Uno de los candidatos para la energía oscura es un campo camaleón, que modifica las funciones de onda (aquí representadas como las cuerdas de una lira). / J. Schmiedmayer/H. Abele
Lo que ha conseguido ahora el equipo de Berkeley es estrechar mil veces la búsqueda de camaleones en comparación con experimentos anteriores. Para ello se han centrado en el análisis del ‘campo camaleón’, que se supone modifica la función de onda de la materia.
Un campo camaleón superficial
“El campo camaleón es ligero en el espacio vacío, pero según entra en un objeto grande se hace muy pesado y se acopla solo a la capa más externa –un nanómetro– de ese objeto, no en sus partes más internas”, explica Holger Müller, coautor de este trabajo, que se publica en la revista Science.
Para simular las condiciones del espacio exterior este equipo ha utilizado un interferómetro atómico. Dentro hay una cámara de vacío donde se sitúa una esfera de aluminio, de unos 2,4 cm de diámetro, a la que lanzan átomos de cesio mediante pulsos de luz.
Si existen los camaleones y su campo, los átomos de cesio deben caer hacia la esfera con una aceleración ligeramente mayor que lo que se puede predecir por su atracción gravitacional. Realizando mediciones y restringiendo posibilidades los investigadores esperan alcanzar el objetivo final: confirmar o descartar definitivamente el papel de los camaleones –o partículas ultraligeras similares– en la energía oscura.
"En el peor de los casos, aprenderemos más sobre lo que no es la energía oscura, algo que también nos ofrece una idea mejor de lo que sí es”, dice Müller, quien adelanta: "El día menos pensado alguien va a tener suerte y lo va a encontrar".
Búsqueda de materia oscura con XENON
En el mismo número de Science aparece otro estudio de los miembros de XENON, una colaboración científica internacional, con sus últimos resultados sobre la búsqueda de la materia oscura. Aunque todavía no se ha observado, su existencia se deduce por sus efectos gravitatorios sobre la materia visible.
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Científicos trabajando en el detector XENON100 de materia oscura. / Colaboración XENON
Aunque se pensaba que podrían estar implicados los procesos gravitacionales con partículas del modelo estándar, como los neutrinos y fotones, los estudios más recientes sobre los procesos físicos que conforman nuestro universo sugieren que pueden existir y estar involucradas otro tipo de partículas detrás de la materia oscura: las WIMP, partículas masivas de interacción débil.
Para probar esta idea, laboratorios de diversas partes del mundo tratan de observar cómo interactúan las WIMP con otras partículas conocidas. En el caso de la colaboración XENON lo que analizan son un resultado de esa interacción: unas partículas de retroceso cargadas que se pueden visualizar en el detector subterráneo en Gran Sasso (Italia).
Un tanque de xenon actúa de blanco para detectar partículas WIMP de la misteriosa materia oscura
Este instrumento, un gran tanque de xenón líquido que actúa de blanco para las WIMP, permite detectar señales características del retroceso. Todavía no existen evidencias de ninguna señal en particular distintiva de las supuestas partículas de materia oscura, pero los resultados de este grupo establecen límites sobre varios tipos de candidatos que se habían propuesto.
"Imagina la búsqueda de una señal de materia oscura muy esquiva y débil dentro de muchos eventos y con varias fuentes de fondo: es como buscar una aguja en un pajar", plantea Rafael Lang, profesor de la Universidad Purdue (EE UU), que ha participado en la investigación.
“La mayoría de los experimentos tienen una enorme pila de heno, pero nuestro detector es tan fino y elbackground tan bajo, que nuestro pajar es más pequeño y podemos ver fácilmente cada paquete de heno –añade–. No tenemos que elegir qué parte de los datos evaluar, ya que podemos mirar todo el evento. Esto abre la puerta para que encontremos evidencias de materia oscura en un lugar inesperado o en una forma que no pensábamos, lo que es bueno porque todavía nadie sabe qué es la materia oscura exactamente "
En conjunto, tanto este experimento con los WIMP como el de los camaleones, “confirman que las cuestiones fundamentales sobre la materia oscura y la energía oscura se pueden probar con experimentos de laboratorio", como valoran también en Science los investigadores Jörg Schmiedmayer y Hartmut Abele desde el Centro de Ciencia y Tecnología Cuántica de Viena (Austria).
Referencias bibliográficas:
P. Hamilton et al: “Atom-interferometry constraints on dark energy". The XENON Collaboration: “Exclusion of leptophilic dark matter models using XENON100 electronic recoil data”. Jörg Schmiedmayer y Hartmut Abele: "Probing the dark side". Science, 21 de agosto de 2015.
Zona geográfica: España
Fuente: SINC

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