La fuerza gravitacional en el Universo bajo la cual ha evolucionado desde un estado casi uniforme en el Big Bang hasta ahora, cuando la materia se concentra en galaxias, estrellas y planetas, es proporcionada por lo que se denomina "materia oscura". Pero a pesar del papel esencial que desempeña este material adicional, no sabemos casi nada sobre su naturaleza, comportamiento y composición, que es uno de los problemas básicos de la física moderna. En un artículo reciente en Cartas de Astronomía y Astrofísica , científicos del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) / Universidad de La Laguna (ULL) y de la Universidad Nacional del Noroeste de la Provincia de Buenos Aires (Junín, Argentina) han demostrado que la materia oscura en las galaxias sigue una distribución de 'máxima entropía', que arroja luz sobre su naturaleza.

La materia oscura constituye el 85% de la materia del Universo, pero su existencia se manifiesta únicamente en escalas astronómicas. Es decir, debido a su débil interacción, el efecto neto solo se puede notar cuando está presente en grandes cantidades. Como se enfría solo con dificultad, las estructuras que forma son generalmente mucho más grandes que los planetas y las estrellas. Dado que la presencia de materia oscura solo se manifiesta a gran escala, el descubrimiento de su naturaleza probablemente deba realizarse mediante estudios astrofísicos.

Entropía máxima

Decir que la distribución de la materia oscura está organizada de acuerdo con la entropía máxima (que es equivalente a 'desorden máximo' o 'equilibrio termodinámico') significa que se encuentra en su estado más probable. Para alcanzar este 'desorden máximo', la materia oscura debe haber chocado dentro de sí misma, tal como lo hacen las moléculas de gas, para alcanzar un equilibrio en el que su densidad, presión, y la temperatura están relacionados. Sin embargo, no sabemos cómo la materia oscura ha alcanzado este tipo de equilibrio.

"A diferencia de las moléculas en el aire, por ejemplo, porque la acción gravitacional es débil, las partículas de materia oscura difícilmente deberían chocar entre sí, de modo que el mecanismo por el cual alcanzan el equilibrio es un misterio, "dice Jorge Sánchez Almeida, un investigador del IAC que es el primer autor del artículo. "Sin embargo, si chocaran entre sí, esto les daría una naturaleza muy especial, que resolvería en parte el misterio de su origen, " él añade.

La máxima entropía de la materia oscura se ha detectado en galaxias enanas, que tienen una mayor proporción de materia oscura a materia total que las galaxias más masivas, por lo que es más fácil ver el efecto en ellos. Sin embargo, los investigadores esperan que sea un comportamiento general en todo tipo de galaxias.

El estudio implica que la distribución de la materia en equilibrio termodinámico tiene una densidad central mucho menor que la que los astrónomos han asumido para muchas aplicaciones prácticas. como en la interpretación correcta de lentes gravitacionales, o al diseñar experimentos para detectar la materia oscura mediante su autoaniquilación.

Esta densidad central es básica para la correcta interpretación de la curvatura de la luz mediante lentes gravitacionales:si es menos densa el efecto de la lente es menor. Para usar una lente gravitacional para medir la masa de una galaxia, se necesita un modelo, si se cambia este modelo, la medida cambia.

La densidad central también es muy importante para los experimentos que intentan detectar la materia oscura utilizando su autoaniquilación. Dos partículas de materia oscura podrían interactuar y desaparecer en un proceso que es altamente improbable. pero que sería característico de su naturaleza. Para que dos partículas interactúen, deben chocar. La probabilidad de esta colisión depende de la densidad de la materia oscura; cuanto mayor sea la concentración de materia oscura, mayor es la probabilidad de que las partículas choquen.

"Por esta razón, si la densidad cambia, también lo hará la tasa de producción esperada de las autoaniquilaciones, y dado que los experimentos están diseñados sobre la predicción de una tasa determinada, si esta tasa fuera muy baja, es poco probable que el experimento arroje un resultado positivo, "dice Sánchez Almeida.

Finalmente, El equilibrio termodinámico de la materia oscura también podría explicar el perfil de brillo de las galaxias. Este brillo cae con la distancia del centro de una galaxia de una manera específica, cuyo origen físico se desconoce, pero por lo que los investigadores están trabajando para demostrar que es el resultado de un equilibrio con máxima entropía.

Simulación versus observación

La densidad de la materia oscura en los centros de las galaxias ha sido un misterio durante décadas. Existe una fuerte discrepancia entre las predicciones de las simulaciones (una alta densidad) y lo que se observa (un valor bajo). Los astrónomos han propuesto muchos tipos de mecanismos para resolver este importante desacuerdo.

En este articulo, los investigadores han demostrado, utilizando principios físicos básicos, que las observaciones se pueden reproducir asumiendo que la materia oscura está en equilibrio, es decir., que tiene la máxima entropía. Las consecuencias de este resultado podrían ser muy importantes porque indican que la materia oscura ha intercambiado energía consigo misma y / o con la materia "normal" restante (bariónica).

"El hecho de que se haya alcanzado el equilibrio en tan poco tiempo, en comparación con la edad del Universo, podría ser el resultado de un tipo de interacción entre la materia oscura y la materia normal además de la gravedad, "sugiere Ignacio Trujillo, investigador del IAC y coautor de este artículo. "Es necesario explorar la naturaleza exacta de este mecanismo, pero las consecuencias podrían ser fascinantes para comprender qué es este componente que domina la cantidad total de materia en el Universo ".