Pregúntale a Ethan: ¿La materia oscura es de la astrofísica la de los "extraterrestres"?
Por Ethan Siegel, para Forbes noviembre 18 de 2017
Las opiniones expresadas por Ethan Siegel, colaborador de Forbes son suyas.
HAWC con su amplio campo de visión ve los púlsares Geminga y PSR B0656 + 14 como amplias balizas de rayos gamma que parecen mucho más grandes en extensión angular que la luna de la Tierra (que se muestra a escala). Crédito Imag .: colaboración de HAWC
A pesar de nuestro conocimiento de las leyes de la física y los éxitos del Modelo Estándar y la Relatividad General, hay varias observaciones en el Universo que aún carecen de una explicación completa. Desde la formación de estrellas hasta los rayos cósmicos de alta energía, el Universo aún tiene sus misterios. Aunque hemos descubierto mucho sobre el espacio, todavía no lo sabemos todo. Por ejemplo, sabemos que existe materia oscura, pero no sabemos cuáles son sus propiedades. ¿Eso significa que podemos atribuir cualquier efecto desconocido a la materia oscura? Un lector anónimo quiere saber.
Hay muchos misterios por ahí, así como mucha evidencia de la materia oscura. Pero culpar a la materia oscura de los otros misterios no es solo corto de vista, sino que es un magnífico ejemplo de lo que sucede cuando los científicos se quedan sin buenas ideas.
Las dos galaxias grandes y brillantes en el centro del cúmulo de Coma, NGC 4889 (izquierda) y la NGC 4874 ligeramente más pequeña (derecha), cada una de ellas superan el millón de años luz de tamaño. Pero las galaxias en las afueras, que se mueven con tanta rapidez, apuntan a la existencia de un gran halo de materia oscura en todo el cúmulo. Crédito de la imagen: Adam Block / Mount Lemmon SkyCenter / University of Arizona
La materia oscura está en todas partes del Universo. Propuesto por primera vez en la década de 1930 para explicar los rápidos movimientos de las galaxias individuales dentro de los cúmulos de galaxias, se produjo porque se dio cuenta de que toda la materia normal que existía (protones, neutrones y electrones) era insuficiente para explicar la cantidad total de la gravedad Esto incluye estrellas, planetas, gas, polvo, plasma interestelar e intergaláctico, agujeros negros y todo lo demás que podamos medir. Las líneas de evidencia que respaldan la materia oscura son numerosas y abrumadoras.
La red cósmica está impulsada por la materia oscura, con la estructura de mayor escala establecida por la tasa de expansión y la energía oscura. Las pequeñas estructuras a lo largo de los filamentos se forman por el colapso de la materia normal que interactúa electromagnéticamente. Crédito de la imagen: Ralf Kaehler, Oliver Hahn y Tom Abel (KIPAC)
No solo incluyen las galaxias dentro de los cúmulos, aunque ciertamente cada grupo que contiene galaxias exhibe esta necesidad. La materia oscura es necesaria para:
Desde las escalas pequeñas de las galaxias individuales hasta las de todo el Universo, la materia oscura es necesaria.
Los mapas de rayos X (rosa) y de materia total (azul) de varios cúmulos de galaxias en colisión muestran una clara separación entre la materia normal y los efectos gravitacionales, algunas de las pruebas más sólidas para la materia oscura. Las teorías alternativas ahora deben ser tan artificiales que muchos las consideren ridículas. Crédito de la imagen: Rayos X: NASA / CXC / Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Suiza / D. Harvey NASA / CXC / Durham Univ / R. Massey; Mapa óptico / de lente: NASA, ESA, D. Harvey (Escuela Politécnica Federale de Lausanne, Suiza) y R. Massey (Universidad de Durham, Reino Unido)
Poner todo esto en contexto con el resto de la cosmología nos lleva a creer que cada galaxia, incluida la nuestra, contiene un halo masivo y difuso de materia oscura que lo rodea. A diferencia de las estrellas, el gas y el polvo de nuestra galaxia, que existe principalmente en un disco, se espera que el halo de materia oscura sea esférico, ya que la evidencia abrumadora es que a diferencia de la materia normal (basada en átomos), la materia oscura no "splat" cuando lo rompes en sí mismo o en la materia normal. Además, la materia oscura debería estar más densa alrededor del centro galáctico, disminuyendo su densidad a medida que se va y extendiéndose quizás diez veces más que las estrellas en la galaxia misma. Finalmente, debe haber pequeños grupos de materia oscura que existen en todos y cada uno de los halo.
De acuerdo con modelos y simulaciones, todas las galaxias deberían estar integradas en halos de materia oscura, cuyas densidades alcanzan su punto máximo en los centros galácticos. Sin embargo, a menos que la materia oscura obedezca a modelos muy particulares y muestre propiedades específicas, será difícil dar cuenta de un exceso de rayos gamma o positrón con la materia oscura. Crédito de la imagen: NASA, ESA y T. Brown y J. Tumlinson (STScI)
Para reproducir el conjunto completo de observaciones enumeradas anteriormente, así como otras, la materia oscura no necesita tener ninguna otra propiedad que no sea la siguiente: necesita tener masa; necesita interactuar gravitacionalmente; necesita moverse lentamente en relación con la velocidad de la luz desde tiempos muy tempranos; y no necesita interactuar demasiado con ninguna de las otras fuerzas. Eso es. Cualquier otra interacción está severamente restringida, pero no descartada.
Entonces, ¿por qué es así, cada vez que hay una observación astrofísica donde hay un exceso de algún tipo de partícula normal (fotones, positrones, antiprotones, etc.), el primer instinto de la gente es culpar a la materia oscura?
Cuando no sabes cómo dar sentido a tus observaciones, señalar la materia oscura para una observación no gravitacional equivale a aferrarnos a las pajas. Crédito de imagen: captura de pantalla de Google News
A principios de esta semana, un equipo que analizó las fuentes de rayos gamma alrededor de los púlsares publicó sus resultados en Science, intentando comprender mejor de dónde proviene el exceso de positrón observado. Los positrones, la contrapartida antimateria de los electrones, se producen naturalmente de varias maneras: acelerando partículas de materia normal a energías suficientemente altas que, cuando colisionan con otras partículas de materia, pueden producir pares electrón-positrón a través de E = mc^2 de Einstein. Creamos estos pares rutinariamente en experimentos de física de partículas, y también podemos ver la evidencia de creación de positrones astrofísicamente, tanto directamente en las búsquedas de rayos cósmicos como indirectamente, buscando el signo de energía reveladora de la reannihilación de electrón-positrón.
Las señales características de la aniquilación de positrones / electrones a bajas energías, una línea de fotones de 511 keV, han sido minuciosamente medidas por el satélite INTEGRAL de la ESA. Crédito de la imagen: J. Knödlseder (CESR) y equipo de SPI; el observatorio INTEGRAL de la ESA
Estas firmas positrónicas astrofísicas se ven alrededor del centro galáctico, enfocadas en fuentes puntuales como microcuásares y púlsares, ubicadas en una misteriosa región de nuestra galaxia conocida como el gran aniquilador, y se ven como parte de un fondo difuso cuyo origen se desconoce. Una cosa es cierta, sin embargo: vemos más positrones de lo que esperamos, en general. Hemos sabido esto por años; PAMELA lo midió, Fermi lo midió, y el Espectrómetro Magnético Alfa a bordo del ISS lo midió. Más recientemente, el Observatorio Cherenkov del Agua a Gran Altitud (HAWC) midió rayos gamma de muy alto nivel de TeV, mostrando que hay partículas extremadamente aceleradas provenientes de púlsares de mediana edad. Pero, lamentablemente, no es suficiente para explicar el exceso de positrones que necesitamos.
El exceso de positrones a energías más altas es difícil de explicar, pero la falta de un corte en el espectro, que continúa a energías más altas gracias a HAWC, es evidencia contra un origen de materia oscura para esta firma. Crédito de la imagen: M. Aguilar et al. para la colaboración AMS, PRL 110, 141102 (2013)
Pero por alguna razón, con cada medición del exceso de positrón, o cada observación de una fuente astrofísica que no puede explicarlo, la narración se convierte inmediatamente en "no podemos explicarlo, por lo tanto, se debe a la materia oscura". Lo cual es una lástima, porque hay muchas fuentes astrofísicas candidatas que no requieren nada exótico, que incluyen:
Esta lista no es exhaustiva, tampoco, sino simplemente un conjunto de ejemplos de lo que podría estar creando este exceso.
El exceso de positrones a energías más altas es difícil de explicar, pero la falta de un corte en el espectro, que continúa a energías más altas gracias a HAWC, es evidencia contra un origen de materia oscura para esta firma. Crédito de la imagen: M. Aguilar et al. para la colaboración AMS, PRL 110, 141102 (2013)
"Pero por alguna razón, con cada medición del exceso de positrón, o cada observación de una fuente astrofísica que no puede explicarlo, la narración se convierte inmediatamente en "no podemos explicarlo, por lo tanto, se debe a la materia oscura". Lo cual es una lástima, porque hay muchas fuentes astrofísicas candidatas que no requieren nada exótico, que incluyen:
Esta lista no es exhaustiva, tampoco, sino simplemente un conjunto de ejemplos de lo que podría estar creando este exceso.
La idea de enmascarar una estrella completamente en material de recolección de luz se conoce como esfera de Dyson. Mientras está en construcción, podría bloquear más y más luz de la estrella. Esta explicación poco probable para la estrella de Tabby es similar al escenario de la "materia oscura para los positrones". Crédito de la imagen: arte de dominio público de CapnHack
Luego de contactar a Brenda Dingus, la investigadora principal de HAWC, recibí el siguiente comentario:
El exceso de positrón implícito de las observaciones de HAWC indica que solo una pequeña fracción de los positrones necesarios puede provenir de fuentes como los púlsares cercanos de mediana edad observados. Crédito de la imagen: A.U. Abeysekara et al., Science Vol 358, edición 6365 17 de noviembre de 2017
Es cierto y notable que los positrones implicados por los datos de HAWC explican solo el 1% de los positrones observados por los otros experimentos, lo que indica que otra cosa es responsable. Cuando vean una observación que nuestras ideas convencionales no pueden explicar, como un exceso de positrones astrofísicos, mantengan en la parte posterior de su cabeza que podría tratarse de materia oscura, exhibiendo las propiedades de interacción largamente buscadas que nos han eludido tan lejos. Pero es mucho más probable que algún otro proceso astrofísico esté acelerando las partículas convencionales conocidas para producir estos efectos. Cuando tenga un misterio en la ciencia, mantenga su mente abierta a una revolución, pero coloque sus apuestas en lo mundano. Y nunca, nunca creas en la exageración que dice lo contrario.
¡Envía tus preguntas sobre Ask Ethan a startswithabang en gmail dot com!
El astrofísico y autor Ethan Siegel es el fundador y escritor principal de Starts With A Bang! Sus libros, Treknology y Beyond The Galaxy, están disponibles dondequiera que se vendan libros.
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Comenzó con una explosión
El universo está ahí fuera, esperando que lo descubras
Por Ethan Siegel, para Forbes noviembre 18 de 2017
Las opiniones expresadas por Ethan Siegel, colaborador de Forbes son suyas.
HAWC con su amplio campo de visión ve los púlsares Geminga y PSR B0656 + 14 como amplias balizas de rayos gamma que parecen mucho más grandes en extensión angular que la luna de la Tierra (que se muestra a escala). Crédito Imag .: colaboración de HAWC
A pesar de nuestro conocimiento de las leyes de la física y los éxitos del Modelo Estándar y la Relatividad General, hay varias observaciones en el Universo que aún carecen de una explicación completa. Desde la formación de estrellas hasta los rayos cósmicos de alta energía, el Universo aún tiene sus misterios. Aunque hemos descubierto mucho sobre el espacio, todavía no lo sabemos todo. Por ejemplo, sabemos que existe materia oscura, pero no sabemos cuáles son sus propiedades. ¿Eso significa que podemos atribuir cualquier efecto desconocido a la materia oscura? Un lector anónimo quiere saber.
Hay TANTAS cosas que quiero saber ... materia oscura. La declaración estándar: (esta) no interactúa con la materia, excepto gravitacionalmente. Entonces, al igual que el viejo enigma sobre los agujeros negros, algo que absorbe todo, ¿cómo lo encuentras? Luego leo que es detectable (al menos un poco) por otros medios que no sean lentes gravitacionales. ¿Cuál es el proceso de aniquilación? Similar a positrón / electrón (aniquilación)?
Hay muchos misterios por ahí, así como mucha evidencia de la materia oscura. Pero culpar a la materia oscura de los otros misterios no es solo corto de vista, sino que es un magnífico ejemplo de lo que sucede cuando los científicos se quedan sin buenas ideas.
Las dos galaxias grandes y brillantes en el centro del cúmulo de Coma, NGC 4889 (izquierda) y la NGC 4874 ligeramente más pequeña (derecha), cada una de ellas superan el millón de años luz de tamaño. Pero las galaxias en las afueras, que se mueven con tanta rapidez, apuntan a la existencia de un gran halo de materia oscura en todo el cúmulo. Crédito de la imagen: Adam Block / Mount Lemmon SkyCenter / University of Arizona
La materia oscura está en todas partes del Universo. Propuesto por primera vez en la década de 1930 para explicar los rápidos movimientos de las galaxias individuales dentro de los cúmulos de galaxias, se produjo porque se dio cuenta de que toda la materia normal que existía (protones, neutrones y electrones) era insuficiente para explicar la cantidad total de la gravedad Esto incluye estrellas, planetas, gas, polvo, plasma interestelar e intergaláctico, agujeros negros y todo lo demás que podamos medir. Las líneas de evidencia que respaldan la materia oscura son numerosas y abrumadoras.
La red cósmica está impulsada por la materia oscura, con la estructura de mayor escala establecida por la tasa de expansión y la energía oscura. Las pequeñas estructuras a lo largo de los filamentos se forman por el colapso de la materia normal que interactúa electromagnéticamente. Crédito de la imagen: Ralf Kaehler, Oliver Hahn y Tom Abel (KIPAC)
No solo incluyen las galaxias dentro de los cúmulos, aunque ciertamente cada grupo que contiene galaxias exhibe esta necesidad. La materia oscura es necesaria para:
- las propiedades de rotación de las galaxias individuales,
- la formación de galaxias de diferentes tamaños, desde elípticas gigantes hasta galaxias del tamaño de la Vía Láctea, hasta las diminutas galaxias enanas que nos rodean,
- las interacciones entre pares de galaxias,
- las propiedades de agrupación de galaxias y cúmulos de galaxias en grandes escalas,
- la red cósmica, incluida su estructura filamentosa,
- el espectro de fluctuaciones en el fondo de microondas cósmico,
- los efectos de lentes gravitacionales observados de masas distantes, y
- la separación observada entre los efectos de la gravedad y la presencia de materia normal en cúmulos de galaxias en colisión.
Desde las escalas pequeñas de las galaxias individuales hasta las de todo el Universo, la materia oscura es necesaria.
Los mapas de rayos X (rosa) y de materia total (azul) de varios cúmulos de galaxias en colisión muestran una clara separación entre la materia normal y los efectos gravitacionales, algunas de las pruebas más sólidas para la materia oscura. Las teorías alternativas ahora deben ser tan artificiales que muchos las consideren ridículas. Crédito de la imagen: Rayos X: NASA / CXC / Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Suiza / D. Harvey NASA / CXC / Durham Univ / R. Massey; Mapa óptico / de lente: NASA, ESA, D. Harvey (Escuela Politécnica Federale de Lausanne, Suiza) y R. Massey (Universidad de Durham, Reino Unido)
Poner todo esto en contexto con el resto de la cosmología nos lleva a creer que cada galaxia, incluida la nuestra, contiene un halo masivo y difuso de materia oscura que lo rodea. A diferencia de las estrellas, el gas y el polvo de nuestra galaxia, que existe principalmente en un disco, se espera que el halo de materia oscura sea esférico, ya que la evidencia abrumadora es que a diferencia de la materia normal (basada en átomos), la materia oscura no "splat" cuando lo rompes en sí mismo o en la materia normal. Además, la materia oscura debería estar más densa alrededor del centro galáctico, disminuyendo su densidad a medida que se va y extendiéndose quizás diez veces más que las estrellas en la galaxia misma. Finalmente, debe haber pequeños grupos de materia oscura que existen en todos y cada uno de los halo.
De acuerdo con modelos y simulaciones, todas las galaxias deberían estar integradas en halos de materia oscura, cuyas densidades alcanzan su punto máximo en los centros galácticos. Sin embargo, a menos que la materia oscura obedezca a modelos muy particulares y muestre propiedades específicas, será difícil dar cuenta de un exceso de rayos gamma o positrón con la materia oscura. Crédito de la imagen: NASA, ESA y T. Brown y J. Tumlinson (STScI)
Para reproducir el conjunto completo de observaciones enumeradas anteriormente, así como otras, la materia oscura no necesita tener ninguna otra propiedad que no sea la siguiente: necesita tener masa; necesita interactuar gravitacionalmente; necesita moverse lentamente en relación con la velocidad de la luz desde tiempos muy tempranos; y no necesita interactuar demasiado con ninguna de las otras fuerzas. Eso es. Cualquier otra interacción está severamente restringida, pero no descartada.
Entonces, ¿por qué es así, cada vez que hay una observación astrofísica donde hay un exceso de algún tipo de partícula normal (fotones, positrones, antiprotones, etc.), el primer instinto de la gente es culpar a la materia oscura?
Cuando no sabes cómo dar sentido a tus observaciones, señalar la materia oscura para una observación no gravitacional equivale a aferrarnos a las pajas. Crédito de imagen: captura de pantalla de Google News
A principios de esta semana, un equipo que analizó las fuentes de rayos gamma alrededor de los púlsares publicó sus resultados en Science, intentando comprender mejor de dónde proviene el exceso de positrón observado. Los positrones, la contrapartida antimateria de los electrones, se producen naturalmente de varias maneras: acelerando partículas de materia normal a energías suficientemente altas que, cuando colisionan con otras partículas de materia, pueden producir pares electrón-positrón a través de E = mc^2 de Einstein. Creamos estos pares rutinariamente en experimentos de física de partículas, y también podemos ver la evidencia de creación de positrones astrofísicamente, tanto directamente en las búsquedas de rayos cósmicos como indirectamente, buscando el signo de energía reveladora de la reannihilación de electrón-positrón.
Las señales características de la aniquilación de positrones / electrones a bajas energías, una línea de fotones de 511 keV, han sido minuciosamente medidas por el satélite INTEGRAL de la ESA. Crédito de la imagen: J. Knödlseder (CESR) y equipo de SPI; el observatorio INTEGRAL de la ESA
Estas firmas positrónicas astrofísicas se ven alrededor del centro galáctico, enfocadas en fuentes puntuales como microcuásares y púlsares, ubicadas en una misteriosa región de nuestra galaxia conocida como el gran aniquilador, y se ven como parte de un fondo difuso cuyo origen se desconoce. Una cosa es cierta, sin embargo: vemos más positrones de lo que esperamos, en general. Hemos sabido esto por años; PAMELA lo midió, Fermi lo midió, y el Espectrómetro Magnético Alfa a bordo del ISS lo midió. Más recientemente, el Observatorio Cherenkov del Agua a Gran Altitud (HAWC) midió rayos gamma de muy alto nivel de TeV, mostrando que hay partículas extremadamente aceleradas provenientes de púlsares de mediana edad. Pero, lamentablemente, no es suficiente para explicar el exceso de positrones que necesitamos.
El exceso de positrones a energías más altas es difícil de explicar, pero la falta de un corte en el espectro, que continúa a energías más altas gracias a HAWC, es evidencia contra un origen de materia oscura para esta firma. Crédito de la imagen: M. Aguilar et al. para la colaboración AMS, PRL 110, 141102 (2013)
Pero por alguna razón, con cada medición del exceso de positrón, o cada observación de una fuente astrofísica que no puede explicarlo, la narración se convierte inmediatamente en "no podemos explicarlo, por lo tanto, se debe a la materia oscura". Lo cual es una lástima, porque hay muchas fuentes astrofísicas candidatas que no requieren nada exótico, que incluyen:
- producción secundaria de positrones y rayos gamma de otras partículas,
- microquasares u otros agujeros negros de alimentación,
- púlsares muy jóvenes o muy viejos, incluidos los magnetares,
- y restos de supernova.
Esta lista no es exhaustiva, tampoco, sino simplemente un conjunto de ejemplos de lo que podría estar creando este exceso.
El exceso de positrones a energías más altas es difícil de explicar, pero la falta de un corte en el espectro, que continúa a energías más altas gracias a HAWC, es evidencia contra un origen de materia oscura para esta firma. Crédito de la imagen: M. Aguilar et al. para la colaboración AMS, PRL 110, 141102 (2013)
"Pero por alguna razón, con cada medición del exceso de positrón, o cada observación de una fuente astrofísica que no puede explicarlo, la narración se convierte inmediatamente en "no podemos explicarlo, por lo tanto, se debe a la materia oscura". Lo cual es una lástima, porque hay muchas fuentes astrofísicas candidatas que no requieren nada exótico, que incluyen:
- producción secundaria de positrones y rayos gamma de otras partículas,
- microquasares u otros agujeros negros de alimentación,
- púlsares muy jóvenes o muy viejos, incluidos los magnetares,
- y restos de supernova.
Esta lista no es exhaustiva, tampoco, sino simplemente un conjunto de ejemplos de lo que podría estar creando este exceso.
La idea de enmascarar una estrella completamente en material de recolección de luz se conoce como esfera de Dyson. Mientras está en construcción, podría bloquear más y más luz de la estrella. Esta explicación poco probable para la estrella de Tabby es similar al escenario de la "materia oscura para los positrones". Crédito de la imagen: arte de dominio público de CapnHack
Luego de contactar a Brenda Dingus, la investigadora principal de HAWC, recibí el siguiente comentario:
No hay duda de que hay otras fuentes de positrones. Sin embargo, los positrones no viajan lejos de sus fuentes y no hay muchas fuentes cercanas. Los dos mejores candidatos fueron detectados por HAWC, y ahora sabemos la cantidad de positrones que producen. También sabemos cómo esos positrones se difunden lejos de sus fuentes y es más lento de lo que se suponía anteriormente. Por lo tanto, mientras confirmamos las fuentes de positrones cercanas, descubrimos que los positrones son muy lentos para alejarse de su origen y, por lo tanto, no están produciendo el exceso de positrones en la Tierra.
Cuando descarta una posibilidad, eso hace que las otras posibilidades sean más probables. Sin embargo, eso no significa que los positrones DEBEN provenir de la materia oscura. No quisimos dar a entender eso.
El exceso de positrón implícito de las observaciones de HAWC indica que solo una pequeña fracción de los positrones necesarios puede provenir de fuentes como los púlsares cercanos de mediana edad observados. Crédito de la imagen: A.U. Abeysekara et al., Science Vol 358, edición 6365 17 de noviembre de 2017
Es cierto y notable que los positrones implicados por los datos de HAWC explican solo el 1% de los positrones observados por los otros experimentos, lo que indica que otra cosa es responsable. Cuando vean una observación que nuestras ideas convencionales no pueden explicar, como un exceso de positrones astrofísicos, mantengan en la parte posterior de su cabeza que podría tratarse de materia oscura, exhibiendo las propiedades de interacción largamente buscadas que nos han eludido tan lejos. Pero es mucho más probable que algún otro proceso astrofísico esté acelerando las partículas convencionales conocidas para producir estos efectos. Cuando tenga un misterio en la ciencia, mantenga su mente abierta a una revolución, pero coloque sus apuestas en lo mundano. Y nunca, nunca creas en la exageración que dice lo contrario.
¡Envía tus preguntas sobre Ask Ethan a startswithabang en gmail dot com!
El astrofísico y autor Ethan Siegel es el fundador y escritor principal de Starts With A Bang! Sus libros, Treknology y Beyond The Galaxy, están disponibles dondequiera que se vendan libros.
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