Predicción de la composición de la materia oscura

La interpretación de un artista de la nucleosíntesis del big bang, el período temprano del universo en el que los protones "p" y los neutrones "n" se combinan para formar elementos ligeros. La presencia de materia oscura "χ" cambia la cantidad de cada elemento que se formará. Crédito:Cara Giovanetti/Universidad de Nueva York

Un nuevo análisis realizado por un equipo de físicos ofrece un medio innovador para predecir "firmas cosmológicas" para modelos de materia oscura.

Un equipo de físicos ha desarrollado un método para predecir la composición de la materia oscura:materia invisible detectada solo por su atracción gravitatoria sobre la materia ordinaria y cuyo descubrimiento ha sido buscado durante mucho tiempo por los científicos.

Su trabajo, que aparece en la revista Physical Review Letters , se centra en predecir "firmas cosmológicas" para modelos de materia oscura con una masa entre la del electrón y la del protón. Los métodos anteriores habían predicho firmas similares para modelos más simples de materia oscura. Esta investigación establece nuevas formas de encontrar estas firmas en modelos más complejos, que los experimentos continúan buscando, señalan los autores del artículo.

"Los experimentos que buscan materia oscura no son la única forma de aprender más sobre este misterioso tipo de materia", dice Cara Giovanetti, Ph.D. estudiante del Departamento de Física de la Universidad de Nueva York y autor principal del artículo.

Esta visualización de una simulación por computadora muestra la 'red cósmica', la estructura a gran escala del universo. Cada nudo brillante es una galaxia completa, mientras que los filamentos morados muestran dónde existe material entre las galaxias. Para el ojo humano, solo las galaxias serían visibles, y esta visualización nos permite ver las hebras de material que conectan las galaxias y forman la red cósmica. Esta visualización se basa en una simulación científica del crecimiento de la estructura en el universo. La materia, la materia oscura y la energía oscura en una región del universo se siguen desde épocas muy tempranas del universo hasta la actualidad mediante las ecuaciones de gravedad, hidrodinámica y cosmología. La materia normal se ha recortado para mostrar solo las regiones más densas, que son las galaxias, y se muestra en blanco. La materia oscura se muestra en púrpura. El tamaño de la simulación es un cubo con una longitud de lado de 134 megaparsecs (437 millones de años luz). Crédito:Hubblesite; Visualización:Frank Summers, Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial; Simulación:Martin White y Lars Hernquist, Universidad de Harvard.

"Las mediciones de precisión de diferentes parámetros del universo, por ejemplo, la cantidad de helio en el universo o las temperaturas de diferentes partículas en el universo primitivo, también pueden enseñarnos mucho sobre la materia oscura", agrega Giovanetti, describiendo el método descrito. en las Cartas de Revisión Física papel.

En la investigación, realizada con Hongwan Liu, becario postdoctoral de la NYU, Joshua Ruderman, profesor asociado en el Departamento de Física de la NYU, y la física de Princeton Mariangela Lisanti, Giovanetti y sus coautores se centraron en la nucleosíntesis del big bang (BBN), un proceso de cuales se crean formas ligeras de materia, como helio, hidrógeno y litio. La presencia de materia oscura invisible afecta cómo se formará cada uno de estos elementos. También es vital para estos fenómenos el fondo cósmico de microondas (CMB):radiación electromagnética, generada al combinar electrones y protones, que permaneció después de la formación del universo.

El equipo buscó un medio para detectar la presencia de una categoría específica de materia oscura, que tiene una masa entre la del electrón y la del protón, mediante la creación de modelos que tenían en cuenta tanto BBN como CMB.

"Tal materia oscura puede modificar la abundancia de ciertos elementos producidos en el universo primitivo y dejar una huella en el fondo cósmico de microondas al modificar la rapidez con la que se expande el universo", explica Giovanetti.

En su investigación, el equipo hizo predicciones de firmas cosmológicas vinculadas a la presencia de ciertas formas de materia oscura. Estas firmas son el resultado de que la materia oscura cambie las temperaturas de diferentes partículas o altere la rapidez con la que se expande el universo.

Sus resultados mostraron que la materia oscura que es demasiado liviana conducirá a diferentes cantidades de elementos ligeros de lo que ven las observaciones astrofísicas.

"Las formas más ligeras de materia oscura podrían hacer que el universo se expanda tan rápido que estos elementos no tengan la oportunidad de formarse", dice Giovanetti, describiendo un escenario.

"Aprendemos de nuestro análisis que algunos modelos de materia oscura no pueden tener una masa demasiado pequeña, de lo contrario, el universo se vería diferente al que observamos", agrega. + Explora más