Esta imagen compuesta del telescopio espacial Hubble muestra un “anillo” fantasmal de materia oscura en el cúmulo de galaxias Cl 0024 + 17.
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Crédito: NASA, ESA, MJ Jee y H. Ford (Universidad Johns Hopkins)
Aproximadamente el 80 por ciento de la masa del universo está compuesto de material que los científicos no pueden observar directamente. Conocido como materia oscura, este extraño ingrediente no emite luz ni energía. Entonces, ¿por qué los científicos piensan que domina?
Los estudios de otras galaxias en la década de 1950 indicaron por primera vez que el universo contenía más materia que la vista a simple vista. El apoyo a la materia oscura ha crecido, y aunque no se ha detectado evidencia directa sólida de materia oscura, ha habido grandes posibilidades en los últimos años.
“Los movimientos de las estrellas te dicen cuánta materia hay”, dijo en un comunicado Pieter van Dokkum, investigador de la Universidad de Yale. “No les importa de qué forma se trata, simplemente te dicen que está ahí”. Van Dokkum dirigió un equipo que identificó la galaxia Dragonfly 44, que está compuesta casi por completo de materia oscura.
El material familiar del universo, conocido como materia bariónica, está compuesto de protones, neutrones y electrones. La materia oscura puede estar hecha de materia bariónica o no bariónica. Para mantener unidos los elementos del universo, la materia oscura debe constituir aproximadamente el 80 por ciento de su materia. [Galería de imágenes: Dark Matter Across the Universe]
La materia faltante podría ser simplemente más difícil de detectar, compuesta de materia regular y bariónica. Los posibles candidatos incluyen enanas marrones tenues, enanas blancas y estrellas de neutrinos. Los agujeros negros supermasivos también podrían ser parte de la diferencia. Pero estos objetos difíciles de detectar tendrían que desempeñar un papel más dominante de lo que los científicos han observado para formar la masa faltante, mientras que otros elementos sugieren que la materia oscura es más exótica.
La mayoría de los científicos piensan que la materia oscura está compuesta de materia no bariónica. El candidato principal, WIMPS (partículas masivas que interactúan débilmente), tiene de diez a cien veces la masa de un protón, pero sus interacciones débiles con la materia “normal” hacen que sean difíciles de detectar. Los neutralinos, partículas hipotéticas masivas más pesadas y más lentas que los neutrinos, son los principales candidatos, aunque aún no se han detectado.
Los neutrinos estériles son otro candidato. Los neutrinos son partículas que no forman materia regular. Un río de neutrinos fluye del sol, pero debido a que rara vez interactúan con la materia normal, atraviesan la Tierra y sus habitantes. Hay tres tipos conocidos de neutrinos; un cuarto, el neutrino estéril, se propone como candidato a la materia oscura. El neutrino estéril solo interactuaría con la materia regular a través de la gravedad.
“Una de las preguntas pendientes es si hay un patrón en las fracciones que se aplican a cada especie de neutrino”, dijo a Space.com Tyce DeYoung, profesor asociado de física y astronomía en la Universidad Estatal de Michigan y colaborador en el experimento IceCube.
El axión neutral más pequeño y los fotinos sin carga también son marcadores de posición potenciales para la materia oscura.
Según una declaración del Laboratorio Nacional Gran Sasso en Italia (LNGS), “Varias mediciones astronómicas han corroborado la existencia de materia oscura, lo que ha llevado a un esfuerzo mundial para observar directamente interacciones de partículas de materia oscura con materia ordinaria en detectores extremadamente sensibles, lo que confirmaría su existencia y arrojaría luz sobre sus propiedades. Sin embargo, estas interacciones son tan débiles que han escapado a la detección directa hasta este punto, obligando a los científicos a construir detectores que son cada vez más sensibles “.
Existe una tercera posibilidad: que las leyes de la gravedad que hasta ahora han descrito con éxito el movimiento de los objetos dentro del sistema solar requieren revisión.
Probar lo invisible
Si los científicos no pueden ver la materia oscura, ¿cómo saben que existe?
Los científicos calculan la masa de objetos grandes en el espacio al estudiar su movimiento. Los astrónomos que examinaron las galaxias espirales en la década de 1950 esperaban ver material en el centro moviéndose más rápido que en los bordes exteriores. En cambio, encontraron que las estrellas en ambos lugares viajaban a la misma velocidad, lo que indica que las galaxias contenían más masa de la que se podía ver. Los estudios del gas dentro de las galaxias elípticas también indicaron la necesidad de más masa que la que se encuentra en los objetos visibles. Los cúmulos de galaxias se volarían si la única masa que contienen fuera visible para las mediciones astronómicas convencionales.
Albert Einstein demostró que los objetos masivos en el universo se doblan y distorsionan la luz, lo que les permite ser utilizados como lentes. Al estudiar cómo la luz es distorsionada por los cúmulos de galaxias, los astrónomos han podido crear un mapa de materia oscura en el universo.
Todos estos métodos proporcionan una fuerte indicación de que la mayor parte de la materia en el universo es algo aún invisible.
Los experimentos
Aunque la materia oscura es diferente de la materia ordinaria, hay una serie de experimentos que trabajan para detectar el material inusual.
El Espectrómetro Magnético Alfa (AMS), un detector de partículas sensibles en la Estación Espacial Internacional, ha estado funcionando desde su instalación en 2011.
Hasta ahora, AMS ha rastreado más de 100 mil millones de impactos de rayos cósmicos en sus detectores, dijo a Space.com el científico principal de AMS, Samuel Ting, premio Nobel del Instituto de Tecnología de Massachusetts.
“Hemos medido un exceso de positrones [el equivalente de antimateria de un electrón], y este exceso puede provenir de la materia oscura. Pero en este momento, todavía necesitamos más datos para asegurarnos de que sea de la materia oscura y no de alguna astrofísica extraña fuentes “, dijo Ting. “Eso requerirá que corramos unos años más”.
De vuelta en la Tierra, debajo de una montaña en Italia, el XENON1T del LNGS está buscando signos de interacciones después de que los WIMP chocan con los átomos de xenón. El laboratorio lanzó recientemente los primeros resultados del experimento.
“Una nueva fase en la carrera para detectar materia oscura con detectores masivos de fondo ultra bajo en la Tierra acaba de comenzar con XENON1T”, dijo en un comunicado la portavoz del proyecto Elena Aprile, profesora de la Universidad de Columbia. “Estamos orgullosos de estar a la vanguardia de la carrera con este sorprendente detector, el primero de su tipo”. El gran experimento de materia oscura de xenón subterráneo (LUX), asentado en una mina de oro en Dakota del Sur, también ha estado buscando signos de interacciones WIMP y xenón. Hasta la fecha, el instrumento no ha revelado el misterioso asunto.
“Aunque una señal positiva hubiera sido bienvenida, ¡la naturaleza no fue tan amable!” Cham Ghag, físico del University College London y colaborador de LUX, dijo en un comunicado. “Sin embargo, un resultado nulo es significativo ya que cambia el panorama del campo al restringir los modelos de lo que la materia oscura podría estar más allá de lo que existía anteriormente”.
El Observatorio de Neutrinos IceCube, un experimento enterrado bajo el hielo de la Antártida, está buscando neutrinos estériles. Los neutrinos estériles solo interactúan con la materia regular a través de la gravedad, lo que lo convierte en un fuerte candidato para la materia oscura.
Otros instrumentos cazan no por materia oscura sino por sus efectos. La nave espacial Planck de la Agencia Espacial Europea ha estado construyendo un mapa del universo desde su lanzamiento en 2009. Al observar cómo interactúa la masa del universo, la nave espacial puede investigar tanto la materia oscura como su compañero, la energía oscura.
En 2014, el Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi de la NASA hizo mapas del corazón de la Vía Láctea a la luz de los rayos gamma, revelando un exceso de emisiones de rayos gamma que se extienden desde su núcleo.
“La señal que encontramos no puede explicarse por las alternativas propuestas actualmente y está muy de acuerdo con las predicciones de modelos muy simples de materia oscura”, dijo a Space.com el autor principal Dan Hooper, astrofísico de Fermilab en Illinois.
El exceso puede explicarse por aniquilaciones de partículas de materia oscura con una masa entre 31 y 40 mil millones de electronvoltios, dijeron los investigadores. El resultado no se considera una pistola humeante para la materia oscura, ya que se necesitarían datos adicionales de otros proyectos de observación y / o experimentos de detección directa para validar la interpretación.
Energía oscura
Entonces, ¿qué es la energía oscura? Bueno, la respuesta simple es que no lo sabemos. Parece contradecir muchos de nuestros entendimientos sobre la forma en que funciona el universo.
Todos sabemos que las ondas de luz, también llamadas radiación, transportan energía. Sientes esa energía en el momento en que sales en un caluroso día de verano.
La famosa ecuación de Einstein, E = mc2
, nos enseña que la materia y la energía son intercambiables, simplemente formas diferentes de la misma cosa. Tenemos un ejemplo gigante de eso en nuestro cielo: el Sol. El sol es impulsado por la conversión de masa en energía.
ALGO DE NADA
¿Podría la energía oscura mostrar un vínculo entre la física de lo muy pequeño y la física de lo grande?
Pero se supone que la energía tiene una fuente, ya sea materia o radiación. La noción aquí es que el espacio, incluso cuando carece de toda materia y radiación, tiene una energía residual. Esa “energía del espacio”, cuando se considera a escala cósmica, conduce a una fuerza que aumenta la expansión del universo.
Quizás la energía oscura resulta del comportamiento extraño en escalas más pequeñas que los átomos. La física de lo muy pequeño, llamada mecánica cuántica, permite que la energía y la materia aparezcan de la nada, aunque solo en el más mínimo instante. La breve aparición y desaparición constante de la materia podría estar dando energía al espacio vacío.
Podría ser que la energía oscura crea una nueva fuerza fundamental en el universo, algo que solo comienza a mostrar un efecto cuando el universo alcanza un cierto tamaño. Las teorías científicas permiten la posibilidad de tales fuerzas. La fuerza podría incluso ser temporal, haciendo que el universo se acelere durante miles de millones de años antes de debilitarse y esencialmente desaparecer.
O tal vez la respuesta se encuentra dentro de otro problema no resuelto de larga data, cómo conciliar la física de lo grande con la física de lo muy pequeño. La teoría de la gravedad de Einstein, llamada relatividad general, puede explicar todo, desde los movimientos de los planetas hasta la física de los agujeros negros, pero simplemente no parece aplicarse en la escala de las partículas que forman los átomos. Para predecir cómo se comportarán las partículas, necesitamos la teoría de la mecánica cuántica. La mecánica cuántica explica la forma en que funcionan las partículas, pero simplemente no se aplica en una escala mayor que un átomo. La elusiva solución para combinar las dos teorías podría dar una explicación natural para la energía oscura.
Sí sabemos esto: dado que el espacio está en todas partes, esta fuerza de energía oscura está en todas partes, y sus efectos aumentan a medida que el espacio se expande. En contraste, la fuerza de la gravedad es más fuerte cuando las cosas están juntas y más débiles cuando están muy separadas. Debido a que la gravedad se debilita con la expansión del espacio, la energía oscura ahora representa más de 2/3 de toda la energía en el universo.
Parece bastante extraño que no tengamos una idea firme sobre lo que constituye el 74% del universo. Es como si hubiéramos explorado toda la tierra del planeta Tierra y nunca en todos nuestros viajes hubiéramos encontrado un océano. Pero ahora que hemos visto las olas, queremos saber qué es realmente esta enorme, extraña y poderosa entidad.
La extrañeza de la energía oscura es emocionante.
Muestra a los científicos que hay un vacío en nuestro conocimiento que debe llenarse, señalando el camino hacia un ámbito inexplorado de la física. Tenemos ante nosotros la evidencia de que el cosmos puede configurarse de manera muy diferente de lo que imaginamos. La energía oscura indica que todavía tenemos mucho que aprender y nos muestra que estamos preparados para otro gran salto en nuestra comprensión del universo.
Según los científicos, solo hay 4% de materia visible y 22% de materia oscura y 74% de energía oscura.
Para más detalles puedes ir debajo de los enlaces
La materia oscura y el papel de la energía oscura en el universo
http: //curious.astro.cornell.edu…
