Esta imagen compuesta del Telescopio Espacial Hubble muestra un "anillo" fantasmal de materia oscura en el cúmulo de galaxias Cl 0024 + 17 . Crédito de la imagen: NASA, ESA, M.J. Jee and H. Ford (Johns Hopkins University)
Por Nola Taylor Redd, para Space.com Junio 15 de 2017
Aproximadamente el 80 por ciento de la masa del universo se compone 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?
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 fuertes posibilidades en los últimos años.
"Los movimientos de las estrellas te dicen cuánta materia hay", dijo Pieter van Dokkum, un investigador de la Universidad de Yale, en un comunicado. "No les importa que forma el asunto es, simplemente te dicen que está ahí". Van Dokkum dirigió un equipo que identificó la galaxia Libélula 44, que está compuesta casi totalmente 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 representar aproximadamente el 80 por ciento de su materia.
La materia que falta podría ser simplemente más difícil de detectar, compuesta de regular, la materia bariónica. Los posibles candidatos incluyen enanas marrones oscuras, enanas blancas y estrellas de neutrinos. Los agujeros negros supermasivos también podrían ser parte de la diferencia. Pero estos objetos difíciles de ver tendrían que jugar un papel más dominante que los científicos han observado para componer la masa que falta, 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 de interacción débil), tiene de diez a cien veces la masa de un protón, pero sus interacciones débiles con la materia "normal" las hacen difíciles de detectar. Neutralinos, partículas hipotéticas masivas más pesadas y más lentas que los neutrinos, son el primer candidato, aunque todavía tienen que ser descubiertos.
Los neutrinos estériles son otro candidato. Los neutrinos son partículas que no conforman la materia regular. Un río de neutrinos fluye del sol, pero porque rara vez interactúan con la materia normal, pasan a través de la Tierra y sus habitantes. Hay tres tipos conocidos de neutrinos; Un cuarto, el neutrino estéril, se propone como un candidato de materia oscura. El neutrino estéril sólo interactuaría con la materia regular a través de la gravedad.
"Una de las cuestiones pendientes es si hay un patrón de las fracciones que entran en cada especie de neutrino", dijo Tyce DeYoung, profesor asociado de física y astronomía en la Universidad Estatal de Michigan y colaborador en el experimento IceCube, a Space.com.
El axion neutro más pequeño y los fotinos incautados son también marcadores de posición potenciales para la materia oscura.
De acuerdo con una declaración del Laboratorio Nacional Gran Sasso en Itally (LNGS), "varias mediciones astronómicas han corroborado la existencia de materia oscura, lo que conduce a un esfuerzo mundial para observar directamente las 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 de la detección directa hasta este punto, obligando a los científicos a construir detectores 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 una revisión.
Estas ilustraciones, tomadas de simulaciones de computadora, muestran un enjambre de aglomeraciones de materia oscura alrededor de nuestra galaxia de la Vía Láctea. Imagen publicada el 10 de julio de 2012. Crédito de la imagen: J. Tumlinson (STScI)
Demostrando 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 estudiando su movimiento. Los astrónomos que examinaban 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, indicando que las galaxias contenían más masa de la que se podía ver. Los estudios del gas dentro de galaxias elípticas también indicaron la necesidad de más masa que la encontrada en objetos visibles. Los grupos de galaxias volarían separados si la única masa que contenían fuera visible a las medidas astronómicas convencionales.
Albert Einstein demostró que los objetos masivos del universo doblan y distorsionan la luz, permitiéndoles ser usados como lentes. Al estudiar cómo la luz se distorsiona por los conglomerados de galaxias, los astrónomos han sido capaces de crear un mapa de la 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 no visto.
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 operando desde su instilación 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, ganador del premio Nobel con el Instituto de Tecnología de Massachusetts.
"Hemos medido un exceso de positrones (la contraparte de la antimateria a un electrón), y este exceso puede provenir de la materia oscura, pero en este momento todavía necesitamos más datos para asegurarnos de que es de la materia oscura y no de alguna extraña astrofísica Fuentes ", dijo Ting. "Eso nos obligará a mantenerlo funcionando un par de años más."
De vuelta en la Tierra, bajo una montaña en Italia, el XENON1T de la LNGS está buscando signos de interacción después de que los WIMP chocan con átomos de xenón. El laboratorio publicó recientemente los primeros resultados del experimento.
"Una nueva fase en la carrera para detectar la materia oscura con detectores masivos de fondo ultrabajo en la Tierra acaba de comenzar con XENON1T", dijo la portavoz del proyecto Elena Aprile, profesora de la Universidad de Columbia, en un comunicado. "Estamos orgullosos de estar a la vanguardia de la carrera con este sorprendente detector, el primero de su clase".
El Gran Experimento de Materia Oscura (LUX) Underground Xenon, sentado 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 paisaje del campo mediante la limitación de los modelos de lo que la materia oscura podría estar más allá de todo lo que existía anteriormente".
IceCube Neutrino Observatory, un experimento enterrado bajo el hielo de la Antártida, está buscando neutrinos estériles. Los neutrinos estériles sólo interactúan con la materia regular a través de la gravedad, por lo que es un fuerte candidato para la materia oscura.
Otros instrumentos no buscan la materia oscura sino sus efectos. La nave espacial Planck de la Agencia Espacial Europea ha estado construyendo un mapa del universo desde que fue lanzado en 2009. Al observar cómo la masa del universo interactúa, la nave espacial puede investigar tanto la materia oscura como su co-socio, la energía oscura.
En 2014, el Telescopio Espacial de Rayos Gamma de la NASA hizo mapas del corazón de la Vía Láctea con luz de rayos gamma, revelando un exceso de emisiones de rayos gamma que se extienden desde su núcleo.
"La señal que encontramos no puede ser explicada por alternativas actualmente propuestas y está en estrecho acuerdo con las predicciones de modelos de materia oscura muy simples", dijo el autor principal Dan Hooper, un astrofísico en Fermilab en Illinois, a Space.com.
El exceso puede ser explicado por aniquilaciones de partículas de materia oscura con una masa entre 31 y 40 mil millones de electrón-voltios, dijeron los investigadores. El resultado no se considera un arma de humo para la materia oscura, ya que datos adicionales de otros proyectos de observación y / o experimentos de detección directa serían necesarios para validar la interpretación.
Materia oscura versus energía oscura
Aunque la materia oscura compone la mayor parte de la materia del universo, sólo compone aproximadamente un cuarto de la composición. El universo está dominado por la energía oscura.
Después del Big Bang, el universo comenzó a expandirse hacia afuera. Los científicos alguna vez pensaron que eventualmente se quedaría sin energía, disminuyendo la velocidad a medida que la gravedad atrajera los objetos dentro de él. Pero estudios de supernovas lejanas revelaron que el universo actual está expandiéndose más rápido que en el pasado, no más lento, lo que indica que la expansión se está acelerando. Esto sólo sería posible si el universo contenía suficiente energía para superar la gravedad ― energía oscura.
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