¿Sabes dónde está el resto del universo? ENTRA PA" QUE SEPAS

La mayor parte del universo está compuesto de "cosas" que son invisibles, intangibles y que posiblemente interactúa con otras cosas  sólo a través de la fuerza de la gravedad. Oh, sí, y los físicos no saben  que es esta cosa o por qué el universe la compensa - unas cuatro quintas partes de su masa.

La llaman materia oscura .

Gran parte del universo está hecho de la materia que no podemos ver.

Crédito: agsandrew / Shutterstock.com

 

Entonces, ¿dónde está este misterioso material que conforma una gran parte de nuestro universo, y cuando  los científicos la encontrarán?

En primer lugar, piense, ¿cómo sabemos que está ahí?

La hipótesis de la materia oscura se planteó  por primera vez en la década de 1930 cuando el astrónomo suizo Fritz Zwicky se dio cuenta de que sus mediciones de las masas de los cúmulos de galaxias mostraron que "faltaba" algunas de las masas en el universo. Esto estaba haciendo  las galaxias más pesadas, no emitían ninguna luz, ni tampoco interactuaban con nada más, excepto a través de la gravedad .

Vera Rubin, en la década de 1970, se encontró que la rotación de las galaxias no estaba siguiendo las predicciones de las leyes del movimiento de Newton; las estrellas en las galaxias de Andrómeda (en particular) todos parecían estar en órbita alrededor del centro a la misma velocidad, en lugar de ir más lejos y moverse más lentamente como las teorías de la gravedad habían dicho que deberían. Es evidente que algo estaba añadiendo masa a las partes exteriores de las galaxias, algo que nadie podía ver. 

Otros elementos de prueba vinieron del lente gravitacional, que ocurre cuando la gravedad de un objeto grande dobla las ondas de luz alrededor de ese objeto. Por la teoría general de la relatividad de Albert Einstein, la gravedad curva el espacio (como un luchador de sumo podría deformar la estera sobre la que está de pie), por lo que los rayos de luz  se curvan alrededor de objetos masivos, aunque  la luz no tenga masa. Las observaciones indicaron que no había suficiente masa visible para doblar la luz por tanto como lo estaba inclinado en torno a ciertos grupos de galaxias - en otras palabras, las galaxias eran más masivas de lo que deberían.

Luego está el fondo cósmico de microondas (CMB), el "eco" del Big Bang y las supernovas. "Lo que el CMB  dice es que el universo es espacialmente plano", dijo Jason Kumar, profesor de física en la Universidad de Hawai."Espacialmente plano" significa que si tuviera que dibujar dos líneas a través del universo, que nunca se cumplen, incluso si esas líneas eran de mil millones de años luz de diámetro. En un universo fuertemente curvada, esas líneas se encontrarían en algún punto en el espacio.

Los investigadores luego calcularon la cantidad de materia que el universo debe tener con el fin de ser plana y producir la cantidad de materia normal (también llamados bariones ) observada en el universo.

"Me pregunto," ¿Es la cantidad de materia que tengo igual a la materia bariónica, y no lo es, "dijo Kumar.

Ahora hay poca discusión entre los cosmólogos y astrónomos de que la materia oscura existe. Sin embargo, parece no estar afectada por la luz, y no se carga como son los electrones o protones. Hasta ahora ha eludido la detección directa.

"Eso es algo de misterio," dijo Kumar. Han habido formas en que  los científicos han tratado de "ver" la materia oscura - ya sea a través de sus interacciones con la materia normal o en busca de partículas  que podría llegar a ser materia oscura . "Esos experimentos van a seguir mejorando, y no parecen tener ningún tipo de contratiempos en la medida en que van a encontrar mejores detectores."

Lo que sabemos no es

Varias teorías han ido y venido en cuanto a lo que es la materia oscura . Una de las primeras fue bastante lógica: El asunto se oculta dentro de los halos de los objetos masivos astrofísicos compactos  o MACHOs, como las estrellas de neutrones, agujeros negros, enanas marrones y planetas salvajes. No emiten luz (o emiten solamente muy poco), por lo que son efectivamente invisibles para los telescopios. 

Sin embargo, las encuestas de las galaxias en busca de pequeñas distorsiones a la luz de las estrellas de fondo producidas por un paso por MACHO - llamados eventos de microlente - no podían dar cuenta de la cantidad de materia oscura alrededor de las galaxias, o incluso una parte significativa del mismo. "Machos parecen tan excluídos como siempre", dijo Dan Hooper, un científico asociado en el Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi en Illinois.

La materia oscura no parecen ser nubes de gas que los telescopios no verían, tampoco. gas difuso que podrían absorber luz de las galaxias que están más lejos, y encima de eso, el gas ordinario  reemite la radiación en longitudes de onda más largas - que habría una radiación masiva de luz infrarroja en el cielo. Dado que no se produce podemos descartar eso, así, dijo Kumar.

Lo que podría ser

Débilmente partículas masivas de interacción, o WIMP, son algunos de los más fuertes contendientes para explicar la materia oscura. Los WIMP son partículas pesadas - alrededor de 10 a 100 veces más pesado que un protón - que se produjeron durante el Big Bang, aunque sólo pequeñas cantidades se quedan en la actualidad. Estas partículas interactúan con la materia normal a través de la gravedad o la fuerza nuclear débil. Los WIMP más masivos se moverían más lentamente a través del espacio, y por lo tanto ser candidatos de materia oscura "en frío", mientras que los más ligeros se mueven más rápido, y ser  materia oscura"caliente" . 

Una forma de encontrarlos es en experimentos de detección directa ", como" el experimento grande subterráneo de xenón (LUX), que es un contenedor de xenón líquido en una mina de Dakota del Sur. Si un núcleo de xenón parece "rebotar" sin ninguna explicación, eso sería un candidato para ser golpeado con una partícula de materia oscura. La magnitud del rebote daría una idea de la masa de la nueva partícula. Pero Hooper dijo que LUX no ha visto nada todavía .

Otra manera de ver los WIMP podrían ser aceleradores de partículas. En el interior de los aceleradores en el interior, los núcleos atómicos chocan contra cada uno a cerca de la velocidad de la luz, y en el proceso  la energía de la colisión se revuelca en otras partículas, algunas nuevas para la ciencia. Hasta ahora, sin embargo, los aceleradores de partículas no han detectado nada que se parezca a un candidatode  materia oscura, tampoco.

Los resultados de los aceleradores tanto de detección directa y de partículas, han puesto límites en el tamaño y la masa de esta hipotética partícula de materia oscura, dijo Kumar. La sensibilidad de LUX se ha reducido a 200 MeV, o alrededor de un quinto de la masa de un protón, y teóricamente podría ver como partículas pesadas como 1 TeV, que es comparable a algunos tipos de quarks .  LUX nada ha visto hasta el momento, así que podría decir que la materia oscura no está en ese rango.

Kumar dijo que es posible que los WIMP sean muy pesados, y porque son tan masivos simplemente no hay que mucho que se pueda decir de ellos, es decir, la posibilidad de que golpearán un átomo de xenón es pequeña.

Otra posibilidad: axiones . Estas partículas subatómicas pueden ser detectados indirectamente por los tipos de radiación que emiten como se aniquilan o como se desintegran en otros tipos de partículas, o aparecen en los aceleradores de partículas. Sin embargo, no ha habido ninguna evidencia directa de los axiones, tampoco.

Desde la detección de movimiento lento partículas pesadas, "fríos", como WIMP o axiones, no ha dado resultados, sin embargo, algunos científicos están estudiando la posibilidad de más ligeros, las partículas se mueven más rápido, que ellos llaman "caliente" materia oscura. Ha habido un renovado interés en un modelo de este tipo de materia oscura después de que científicos encontraron evidencia de una partícula desconocida, utilizando el observatorio de rayos X Chandra, en el cúmulo de Perseo, un grupo de galaxias a unos 250 millones de años-luz de la Tierra.

Los iones conocidos en ese clúster producen ciertas líneas de emisión de rayos X, y en 2014, los científicos vieron una nueva "línea" que puede corresponder a una partícula ligera desconocida, Nicola Menci, un astrofísico en el Instituto Nacional de Italia para la Astrofísica (INAF).

Si las partículas de materia oscura son la luz, los científicos van a tener un tiempo difícil para detectarla directamente, dijo Tracy Slatyer, un físico del MIT. Slatyer ha propuesto nuevos tipos de partículas que podrían hacer que la materia oscura.

"La materia oscura con [a] de masa por debajo de aproximadamente 1 GeV es muy difícil de detectar con los experimentos de detección directa convencionales, ya que trabajan mediante la búsqueda de los retrocesos sin explicación de los núcleos atómicos ... pero cuando la materia oscura sea mucho más ligera que el núcleo atómico, la energía de retroceso es muy pequeña ", dijo Slatyer.
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Los protones - un núcleo de hidrógeno - No puede ser más ligera que aproximadamente 938 MeV, por lo que una partícula que pesa en el rango keV serían 1.000 veces más ligero. "Piense rebotar una pelota de ping-pong como si fuera una bola de bolos, la bola no se mueve mucho", dijo.

Slatyer dijo que hay una gran cantidad de investigación que se realiza sobre la manera de encontrar las partículas de materia oscura si fallan los métodos actuales. El uso de "superfluido del helio líquido" , semiconductores e incluso la rotura de los enlaces químicos en los cristales, son algunas de las ideas que flotaban.

Kumar dijo que una razón de la materia oscura sea tan misteriosa es, precisamente, que los físicos creen que ellos entienden, a un punto, la forma en la nucleosíntesis del Big Bang trabajó - los orígenes de la materia - . El modelo estándar, que predijo el bosón de Higgs, ha tenido mucho éxito hasta el momento, así que a menos que todos ellos hayan estado muy equivocados acerca de algo fundamental  es extraño que nadie haya logrado detectar una partícula de materia oscura todavía.

Si, por ejemplo, partículas de materia oscura son muy diferentes de lo que muchos modelos actuales predicen, es posible que los aceleradores de partículas no la habrían visto. Aceleradores como el LHC son mejores para ver las cosas que interactúan con la fuerza nuclear fuerte, que decaen en otras partículas.

"Si esa es la manera en que la materia oscura trabaja,  es una gran máquina para encontrarla", dijo. "Pero si no hay una partícula más pesada , es más difícil."