Crédito de la imagen: Berkeley.
La materia oscura es un halo invisible de material que parece rodear cada galaxia. Hasta ahora, los astrónomos creían que la materia oscura probablemente formaba una niebla uniforme de partículas en el espacio, pero los investigadores de UC Berkeley y MIT han creado una simulación por computadora de cómo la materia oscura podría agruparse en trozos más grandes de material.
La "materia oscura" que comprende un cuarto aún no detectado del universo no es una niebla cósmica uniforme, dice un astrofísico de la Universidad de California, Berkeley, sino que forma grupos densos que se mueven como motas de polvo bailando en un pozo de ligero.
En un artículo presentado esta semana a Physical Review D, Chung-Pei Ma, profesor asociado de astronomía en UC Berkeley, y Edmund Bertschinger del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), demuestran que el movimiento de los grupos de materia oscura puede modelarse en de manera similar al movimiento browniano de polvo o polen transportado por el aire.
Sus hallazgos deberían proporcionar a los astrofísicos una nueva forma de calcular la evolución de este universo fantasma de materia oscura y reconciliarlo con el universo observable, dijo Ma.
La materia oscura ha sido un problema persistente para la astronomía durante más de 30 años. Las estrellas dentro de las galaxias y las galaxias dentro de los cúmulos se mueven de una manera que indica que hay más materia allí de lo que podemos ver. Esta materia invisible parece estar en un halo esférico que se extiende probablemente 10 veces más lejos que el halo estelar visible alrededor de las galaxias. Las primeras propuestas de que la materia invisible se compone de estrellas quemadas o neutrinos pesados no han funcionado, y los candidatos favoritos actuales son partículas exóticas llamadas neutrilinos, axiones u otras hipotéticas partículas supersimétricas. Debido a que estas partículas exóticas interactúan con la materia ordinaria solo a través de la gravedad, no a través de ondas electromagnéticas, no emiten luz.
"Solo estamos viendo la mitad de todas las partículas", dijo Ma. "Ahora son demasiado pesados para producir en aceleradores, por lo que no conocemos la mitad del mundo".
La imagen solo empeoró hace cuatro años cuando se descubrió que la "energía oscura" era aún más frecuente que la materia oscura. La cuenta cósmica ahora vincula la energía oscura en aproximadamente el 69 por ciento del universo, la materia oscura exótica en el 27 por ciento, la materia oscura mundana - estrellas oscuras, invisibles - en el 3 por ciento, y lo que realmente vemos en solo el 1 por ciento.
Basado en modelos de computadora de cómo la materia oscura se movería bajo la fuerza de la gravedad, Ma dijo que la materia oscura no es una niebla uniforme que envuelve cúmulos de galaxias. En cambio, la materia oscura forma grupos más pequeños que se parecen superficialmente a las galaxias y los cúmulos globulares que vemos en nuestro universo luminoso. La materia oscura tiene una vida dinámica independiente de la materia luminosa, dijo.
"El fondo cósmico de microondas muestra los primeros efectos de la acumulación de materia oscura, y estos grupos crecen bajo la atracción gravitacional", dijo. “Pero se creía que cada uno de estos grupos, el halo alrededor de los cúmulos de galaxias, era suave. La gente estaba intrigada al descubrir que las simulaciones de alta resolución muestran que no son suaves, sino que tienen subestructuras intrincadas. El mundo oscuro tiene una vida dinámica propia ”.
Ma, Bertschinger y el estudiante graduado de UC Berkeley, Michael Boylan-Kolchin, realizaron algunas de estas simulaciones ellos mismos. Varios otros grupos en los últimos dos años también han mostrado aglomeraciones similares.
El universo fantasma de la materia oscura es una plantilla para el universo visible, dijo. La materia oscura es 25 veces más abundante que la mera materia visible, por lo que la materia visible debería agruparse donde sea que se agrupe la materia oscura.
Ahí está el problema, dijo Ma. Las simulaciones por computadora de la evolución de la materia oscura predicen muchos más cúmulos de materia oscura en una región que los cúmulos de materia luminosa que podemos ver. Si la materia luminosa sigue a la materia oscura, debería haber un número casi equivalente de cada una.
"Nuestra galaxia, la Vía Láctea, tiene alrededor de una docena de satélites, pero en las simulaciones vemos miles de satélites de materia oscura", dijo. "La materia oscura en la Vía Láctea es un entorno dinámico y dinámico en el que miles de satélites más pequeños de grupos de materia oscura pululan alrededor de un gran halo de materia oscura madre, interactuando constantemente y perturbándose mutuamente".
Además, los astrofísicos que modelan el movimiento de la materia oscura se sorprendieron al ver que cada grupo tenía una densidad que alcanzó su punto máximo en el centro y cayó hacia los bordes exactamente de la misma manera, independientemente de su tamaño. Sin embargo, este perfil de densidad universal parece estar en conflicto con las observaciones de algunas galaxias enanas realizadas por el colega de Ma, el profesor de astronomía de UC Berkeley Leo Blitz y su grupo de investigación, entre otros.
Ma espera que una nueva forma de ver el movimiento de la materia oscura resuelva estos problemas y la teoría cuadrática con la observación. En su artículo de Physical Review, discutido en una reunión a principios de este año de la American Physical Society, demostró que el movimiento de la materia oscura puede modelarse de manera muy similar al movimiento browniano que el botánico Robert Brown describió en 1828 y Albert Einstein explicó en un seminal de 1905. papel que le ayudó a obtener el Premio Nobel de Física de 1921.
El movimiento browniano se describió por primera vez como el camino en zigzag recorrido por un grano de polen flotando en el agua, empujado por moléculas de agua que chocan con él. El fenómeno se refiere igualmente al movimiento del polvo en el aire y los densos grupos de materia oscura en el universo de la materia oscura, dijo Ma.
Esta idea "nos permite usar un lenguaje diferente, un punto de vista diferente al de la vista estándar", para investigar el movimiento y la evolución de la materia oscura, dijo.
Otros astrónomos, como el profesor emérito de astronomía de UC Berkeley Ivan King, han usado la teoría del movimiento browniano para modelar el movimiento de cientos de miles de estrellas dentro de los cúmulos estelares, pero esta, dijo Ma, "es la primera vez que se aplica rigurosamente a grandes escalas cosmológicas. La idea es que no nos importa exactamente dónde están los grupos, sino cómo se comportan estadísticamente en el sistema, cómo se dispersan gravitacionalmente ".
Ma señaló que el movimiento browniano de los grupos se rige por una ecuación, la ecuación de Fokker-Planck, que se utiliza para modelar muchos procesos estocásticos o aleatorios, incluido el mercado de valores. Ma y sus colaboradores están trabajando actualmente para resolver esta ecuación para la materia oscura cosmológica.
"Es sorprendente y encantador que la evolución de la materia oscura, la evolución de los grupos, obedezca a una ecuación simple de 90 años", dijo.
El trabajo fue apoyado por la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio.
Fuente original: UC Berkeley
