El cielo nocturno nunca está completamente a oscuras. Incluso lejos de ciudades, estrellas y auroras, las atmósferas planetarias emiten una luminosidad muy tenue producida por procesos químicos y físicos en sus capas superiores. Este fenómeno, conocido como “resplandor atmosférico” o airglow, puede extenderse desde el infrarrojo hasta el ultravioleta. Su intensidad y su espectro contienen información sobre la composición de la atmósfera y sobre la energía que se deposita en ella.

En los planetas gigantes, esa luz resulta especialmente interesante. Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno poseen atmósferas ricas en hidrógeno y se encuentran lo bastante lejos del Sol como para que la radiación solar interfiera menos en las observaciones de sus hemisferios nocturnos. Además, varias sondas espaciales midieron ese débil resplandor durante sus sobrevuelos. Un nuevo trabajo propone releer esas observaciones desde una perspectiva muy distinta: la búsqueda de materia oscura. 

Una luz distinta de las auroras

Las auroras aparecen cuando partículas cargadas, guiadas por el campo magnético de un planeta, chocan con su atmósfera. Por eso tienden a concentrarse cerca de los polos y su actividad depende en buena medida del entorno magnético y de la actividad solar. El resplandor atmosférico tiene otra distribución: puede cubrir amplias regiones del planeta y mantenerse tanto de día como de noche, aunque resulte más fácil distinguirlo en la oscuridad.

En las atmósferas de los gigantes del sistema solar, los electrones energéticos pueden excitar las moléculas de hidrógeno. Cuando esas moléculas regresan a estados de menor energía, emiten radiación ultravioleta en conjuntos de líneas conocidos como bandas de Lyman y Werner. El proceso es rápido y eficiente, lo que convierte esa emisión en una medida indirecta de la energía que ha llegado a la atmósfera.

El problema consiste en averiguar de dónde procede esa energía. Parte puede relacionarse con la radiación solar, las partículas de la magnetosfera o los rayos cósmicos. Sin embargo, una emisión adicional y distribuida por todo el planeta admitiría otras explicaciones. Los autores del estudio se preguntaron cuánto resplandor ultravioleta podría generar una fuente exótica sin superar el brillo realmente observado. Esa pregunta permite transformar antiguas mediciones planetarias en un experimento de física de partículas. 

Cómo podría iluminarse la materia oscura

Según los modelos considerados, los planetas gigantes atraviesan continuamente el halo de materia oscura de la galaxia. Algunas de sus partículas podrían chocar con los átomos del planeta, perder energía y quedar atrapadas por la gravedad. La gran masa y el tamaño de estos mundos favorecen la captura y acumulación de una población de materia oscura en su interior.

Si esas partículas fueran capaces de aniquilarse entre sí, su masa se transformaría en otras partículas y en energía. Parte de los productos de la aniquilación podría alcanzar la atmósfera en forma de electrones energéticos. Allí excitaría el hidrógeno molecular, que respondería emitiendo luz ultravioleta. El resultado sería un resplandor global, distinto de las auroras concentradas en torno a los polos. Una figura del estudio representa precisamente esta diferencia: una emisión auroral localizada y un brillo más uniforme asociado a la materia oscura.

Las atmósferas de los planetas gigantes pueden funcionar como detectores naturales de partículas que los laboratorios terrestres apenas alcanzan.

La intensidad final dependería de varios factores: cuánta materia oscura logra capturar el planeta, con qué frecuencia se aniquila, qué partículas produce y qué fracción de la energía alcanza realmente la atmósfera. El análisis adopta como escenario de referencia que buena parte de esa energía se deposita allí. Esta condición es importante porque los límites obtenidos se debilitarían si la mayor parte de los productos quedara absorbida en las capas internas del planeta.

La idea no implica que los investigadores hayan visto materia oscura brillando sobre Júpiter. El método funciona al revés. Primero se calcula qué cantidad de luz producirían distintas partículas hipotéticas; después se descartan los modelos cuyo resplandor sería mayor que el medido. La ausencia de un exceso inequívoco también aporta información: reduce el margen disponible para ciertas formas de interacción entre la materia oscura y la materia ordinaria. 

Las Voyager y New Horizons vuelven a hacer ciencia

Para buscar esta señal, el equipo recuperó observaciones ultravioletas de las caras nocturnas de los cuatro planetas gigantes. Voyager 1 proporcionó datos de Saturno; Voyager 2, de Urano y Neptuno; y New Horizons, de Júpiter. Las mediciones se tomaron lejos de las regiones aurorales, del amanecer y del anochecer, donde la luz solar dispersada y la actividad magnética pueden complicar la interpretación.

En Júpiter, los investigadores analizaron cuatro barridos realizados por el espectrógrafo ultravioleta de New Horizons. Obtuvieron un brillo nocturno del hidrógeno molecular de unos 3,1 rayleighs, con cinco rayleighs como valor capaz de saturar el intervalo cubierto por los datos. En Saturno utilizaron un límite superior de diez rayleighs, ya que Voyager 1 no detectó una emisión nocturna clara en las bandas estudiadas.

Las observaciones de Urano y Neptuno son menos precisas. Ambos planetas solo recibieron la visita cercana de Voyager 2, cuyos instrumentos estaban optimizados originalmente para Júpiter y Saturno. Aun así, el conjunto ofrece una ventaja importante: cada planeta posee una masa, una composición, una temperatura y una estructura interna diferentes, por lo que responde de manera distinta a la captura de partículas.

Los nuevos límites alcanzan secciones eficaces de dispersión entre materia oscura y protones cercanas a 10⁻⁴⁰ centímetros cuadrados para masas del orden de un gigaelectronvoltio, siempre dentro del escenario donde la mayor parte de la energía de aniquilación llega a la atmósfera. La sensibilidad es máxima cerca de la masa del protón, porque en ese rango la transferencia de energía al hidrógeno resulta especialmente eficiente. Los cuatro planetas actúan así como detectores complementarios y exploran regiones que pueden resultar difíciles para los experimentos subterráneos terrestres. 

Un detector planetario con condiciones

El método depende de supuestos físicos que todavía deben examinarse con detalle. No todos los modelos de materia oscura garantizan que las partículas capturadas se aniquilen al ritmo necesario. Las más ligeras también podrían recuperar suficiente energía térmica para escapar del planeta. Además, los productos de la aniquilación tienen que atravesar parte del interior y depositar una fracción apreciable de su energía en la atmósfera. Los límites presentados son fuertes, pero su alcance concreto cambia de un modelo a otro.

La falta de un exceso de luz también habla: descarta modelos de materia oscura que habrían iluminado demasiado la noche planetaria.

También hay incertidumbres observacionales. El resplandor atmosférico natural varía con la actividad solar, las partículas magnetosféricas y la geometría de cada observación. En Urano y Neptuno, los datos disponibles proceden de encuentros breves realizados hace cuarenta años. Los autores aplican un criterio conservador: la señal hipotética queda excluida cuando, por sí sola, llenaría o superaría el brillo medido.

Aun con estas cautelas, el ultravioleta mejora en más de dos órdenes de magnitud las restricciones obtenidas previamente a partir de la emisión infrarroja de una forma ionizada del hidrógeno presente en Júpiter. Además, la radiación ultravioleta del hidrógeno es menos sensible a la temperatura atmosférica, de modo que el mismo principio puede aplicarse a Saturno, Urano y Neptuno con mayor uniformidad. 

Otros mundos bajo la misma luz

Las próximas observaciones podrían aumentar la precisión del método. La misión JUICE lleva un espectrómetro ultravioleta y su estrategia de observación podría proporcionar exposiciones prolongadas del hemisferio nocturno de Júpiter. Una futura misión a Urano permitiría sustituir las limitadas mediciones de Voyager 2 por datos con mejor resolución espacial y espectral. Una señal compatible en varios planetas sería especialmente valiosa, porque tendría que reproducirse en atmósferas y entornos magnéticos muy diferentes.

El escenario más prometedor quizá se encuentre fuera del Sistema Solar. Un superjúpiter cercano, masivo y situado en una órbita amplia —o incluso flotando libremente— podría capturar más materia oscura y sufrir menos contaminación por la luz de una estrella. El reto consiste en detectar desde grandes distancias una emisión ultravioleta extremadamente tenue y evitar la absorción producida por el medio interestelar.

Un archivo de viejos sobrevuelos espaciales puede convertirse, con nuevas preguntas, en un experimento de física fundamental.

Los telescopios espaciales ultravioletas del futuro podrían explorar esos objetivos, mientras que los archivos del Hubble o de GALEX ofrecen material para búsquedas preliminares. La propuesta convierte las atmósferas planetarias en instrumentos físicos: enormes detectores naturales que llevan funcionando desde mucho antes de que alguien pudiera observarlos. Por ahora, la materia oscura sigue sin mostrarse. Su posible rastro podría estar en una luz apenas perceptible sobre la noche de otros mundos.