Una representación de gas hidrógeno dentro del medio intergaláctico, o IGM, con áreas brillantes que indican alta densidad de gas. Crédito:Vid Iršič
La materia oscura es el material invisible, acertadamente llamado, que constituye la mayor parte de la materia de nuestro universo. Pero de qué está hecha la materia oscura es un tema de debate.
Los científicos nunca han detectado directamente la materia oscura. Pero durante décadas, han propuesto una variedad de teorías sobre qué tipo de material, desde nuevas partículas hasta agujeros negros primordiales, podría comprender materia oscura y explicar sus muchos efectos sobre la materia normal. En un artículo publicado el 20 de julio en la revista Cartas de revisión física , un equipo internacional de cosmólogos utiliza datos del medio intergaláctico:el vasto, espacio en gran parte vacío entre galaxias, para reducir lo que podría ser la materia oscura.
Los hallazgos del equipo ponen en duda una teoría relativamente nueva llamada "materia oscura difusa, "y, en cambio, dan crédito a un modelo diferente llamado" materia oscura fría ". Sus resultados podrían informar los esfuerzos en curso para detectar la materia oscura directamente, especialmente si los investigadores tienen una idea clara de qué tipo de propiedades deberían buscar.
"Por décadas, Los físicos teóricos han intentado comprender las propiedades de las partículas y las fuerzas que deben formar la materia oscura, "dijo el autor principal Vid Iršič, investigador postdoctoral en el Departamento de Astronomía de la Universidad de Washington. "Lo que hemos hecho es imponer restricciones a lo que podría ser la materia oscura, y la 'materia oscura difusa, 'si fuera a formar toda la materia oscura, no es coherente con nuestros datos ".
Los científicos habían elaborado las teorías de la materia oscura "difusa" y "fría" para explicar los efectos que la materia oscura parece tener sobre las galaxias y el medio intergaláctico entre ellas.
La materia oscura fría es la más antigua de estas dos teorías, que se remonta a la década de 1980, y actualmente es el modelo estándar para la materia oscura. Postula que la materia oscura está formada por una masa relativamente masiva tipo de partícula de movimiento lento con propiedades de "interacción débil". Ayuda a explicar lo único, estructura a gran escala del universo, como por qué las galaxias tienden a agruparse en grupos más grandes.
Pero la teoría de la materia oscura fría también tiene algunos inconvenientes e inconsistencias. Por ejemplo, predice que nuestra propia Vía Láctea debería tener cientos de galaxias satélite cercanas. En lugar de, tenemos solo unas pocas docenas de pequeños, vecinos cercanos.
Estas imágenes representan la absorción de luz por gas hidrógeno dentro del IGM, con áreas brillantes que indican alta densidad de gas. Las curvas también muestran la absorción de hidrógeno. A la izquierda hay una simulación basada en el modelo estándar de materia oscura fría. A la derecha hay una simulación basada en materia oscura difusa. La curva de la izquierda es más consistente con los datos analizados por Irši č y colegas. Crédito:Vid Iršič
La teoría más reciente de la materia oscura difusa abordó las deficiencias del modelo de materia oscura fría. Según esta teoría, La materia oscura consiste en una partícula ultraligera, en lugar de uno pesado, y también tiene una característica única relacionada con la mecánica cuántica. Para muchas de las partículas fundamentales de nuestro universo, sus movimientos a gran escala, recorriendo distancias de metros, millas y más allá, se puede explicar utilizando los principios de la física newtoniana "clásica". Explicar los movimientos a pequeña escala, como a nivel subatómico, requiere los principios complejos y a menudo contradictorios de la mecánica cuántica. Pero para la partícula ultraligera predicha en la teoría de la materia oscura difusa, Los movimientos a escalas increíblemente grandes, como de un extremo a otro de una galaxia, también requieren mecánica cuántica.
Con estas dos teorías de la materia oscura en mente, Iršič y sus colegas se propusieron modelar las propiedades hipotéticas de la materia oscura basándose en observaciones relativamente nuevas del medio intergaláctico, o IGM. El IGM se compone principalmente de materia oscura, cualquiera que sea, junto con gas hidrógeno y una pequeña cantidad de helio. El hidrógeno dentro de IGM absorbe la luz emitida desde lejos, objetos brillantes, y los astrónomos han estudiado esta absorción durante décadas utilizando instrumentos terrestres.
El equipo observó cómo interactuaba el IGM con la luz emitida por los cuásares, que son lejanos, masivo, objetos con forma de estrella. Un conjunto de datos provino de una encuesta de 100 cuásares realizada por el Observatorio Europeo Austral en Chile. El equipo también incluyó observaciones de 25 cuásares por el Observatorio Las Campanas en Chile y el W.M. Observatorio Keck en Hawaii.
Usando una supercomputadora en la Universidad de Cambridge, Iršič y sus coautores simularon el IGM y calcularon qué tipo de partícula de materia oscura sería consistente con los datos del cuásar. Descubrieron que una partícula típica predicha por la teoría de la materia oscura difusa es simplemente demasiado ligera para explicar los patrones de absorción de hidrógeno en el IGM. Una partícula más pesada, similar a las predicciones de la teoría tradicional de la materia oscura fría, es más consistente con sus simulaciones.
"La masa de esta partícula tiene que ser mayor de lo que la gente esperaba originalmente, basado en las soluciones borrosas de materia oscura para problemas relacionados con nuestra galaxia y otras, "dijo Iršič.
Aún podría existir una partícula ultraligera "difusa". Pero no puede explicar por qué se forman los cúmulos galácticos, u otras cuestiones como la escasez de galaxias satélites alrededor de la Vía Láctea, dijo Iršič. Una partícula "fría" más pesada sigue siendo consistente con las observaciones astronómicas y simulaciones del IGM, añadió.
Los resultados del equipo no abordan todos los viejos inconvenientes del modelo de materia oscura fría. Pero Iršič cree que una mayor extracción de datos del IGM puede ayudar a resolver el tipo (o tipos) de partículas que componen la materia oscura. Además, algunos científicos creen que no hay problemas con la teoría de la materia oscura fría. En lugar de, Es posible que los científicos simplemente no comprendan las fuerzas complejas que operan en el IGM, Iršič agregó.
"De cualquier manera, el IGM sigue siendo un terreno rico para comprender la materia oscura, "dijo Iršič.
Los coautores del artículo son Matteo Viel, de la Escuela Internacional de Estudios Avanzados de Italia, el Observatorio Astronómico de Trieste y el Instituto Nacional de Física Nuclear de Italia; Martin Haehnelt de la Universidad de Cambridge; James Bolton de la Universidad de Nottingham; y George Becker de la Universidad de California, Orilla. El trabajo fue financiado por la National Science Foundation, el Instituto Nacional de Física Nuclear de Italia, el Consejo Europeo de Investigación, el Instituto Nacional de Astrofísica de Italia, la Royal Society del Reino Unido y la Kavli Foundation.
