materia oscura

Galaxias primordiales y materia oscura

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Hallan galaxias primordiales masivas inmersas en un vasto océano de materia oscura

por Amelia Ortiz · Publicada 11 diciembre, 2017 ·
11/12/2017 de National Radio Astronomy Observatory / Nature


Ilustración artística de una pareja de galaxias en el Universo muy temprano. Crédito: NRAO/AUI/NSF; D. Berry.

Los astrónomos esperan que las primeras galaxias, formadas apenas unos cientos de millones de años después del Big Bang, compartirán muchos parecidos con algunas de las galaxias enanas que observamos en el Universo cercano en la actualidad. Estas aglomeraciones tempranas de unos pocos miles de millones de estrellas se convirtieron en los componentes básicos de las galaxias más grandes que llegaron a dominar el Universo tras los primeros miles de millones de años.

Sin embargo, observaciones realizadas con ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) han descubierto ejemplos sorprendentes de galaxias masivas, llenas de estrellas, observadas cuando el cosmos tenía menos de mil millones de años de edad. Esto sugiere que los componentes básicos galácticos más pequeños fueron capaces de juntarse y formar galaxias grandes con bastante rapidez.

Los últimos datos de ALMA retrasan esta época de formación de galaxias masivas todavía más al identificar dos galaxias gigantes observadas cuando el Universo tenía solo 780 millones de años de edad, un 5 por ciento de su edad actual. ALMA también reveló que estas galaxias inusualmente grandes se hallan en el interior de una estructura cósmica mucho más masiva, un halo de materia oscura varios billones de veces más masivo que el Sol.

Las dos galaxias se hallan tan próximas entre sí (a menos de la distancia de la Tierra al centro de nuestra galaxia) que en breve se unirán para formar la mayor galaxia jamás observada en ese periodo de la historia cósmica. Este descubrimiento proporciona detalles nuevos acerca de la aparición de galaxias grandes y del papel que la materia oscura juega en la formación de las estructuras más masivas del Universo.

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Propuesta de la existencia de las SIMP

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Los MACHO han muerto. Las WIMP no aparecen. Recibamos a las SIMP.

por Amelia Ortiz · Publicada 5 diciembre, 2017 ·
5/12/2017 de UC Berkeley


Estructuras fundamentales de un pión (izquierda) y una SIMP (derecha). Los iones están compuestos por un quark up y un antiquark down, con un gluón (g) que los mantiene unidos. Una SIMP estaría formada por un quark y un antiquark unidos por un tipo desconocido de gluón (G). Fuente: UC Berkeley.

La intensa búsqueda mundial de la materia oscura, la masa perdida del Universo, no ha encontrado hasta ahora muchas estrellas masivas oscuras ni muchas partículas masivas nuevas y extrañas que interactúan débilmente, pero una nueva candidata está ganando adeptos lentamente y apoyo de las observaciones.

Llamadas SIMP (partículas masivas que interactúan fuertemente, o en inglés ‘strongly interacting massive particles’) fueron propuestas hace tres años por el físico teórico Hitoshi Murayama (UC Berkeley). Murayama afirma que recientes observaciones de un choque múltiple galáctico podrían ser la prueba de la existencia de las SIMP y anticipa su descubrimiento en los experimentos de física de partículas del futuro.

La prueba más sólida de la existencia de la materia oscura es el movimiento de las estrellas dentro de una galaxia. Sin una concentración invisible de materia oscura, las galaxias se disgregarían. Al principio se propuso que se trataba de objetos de materia normal pero demasiado débiles para verse (estrellas fallidas llamadas enanas marrones, estrellas consumidas o agujeros negros) presentes en el halo de las galaxias, llamados MACHO (de ‘massive compact halo objects’). Pero las observaciones más recientes descartan que pueda haber una población importante de estos objetos aún por descubrir.

Otras candidatas, las partículas masivas que interactúan débilmente (WIMP, de ‘weakly interacting massive particles) tampoco han sido detectadas hasta la fecha.

Ahora se ha propuesto la existencia de las SIMP, que interactuarían fuertemente entre sí por la gravedad pero muy débilmente con la materia normal. Murayama propone que podría tratarse, por ejemplo, de una nueva combinación de quarks (los componentes fundamentales de los protones y neutrones); pero una SIMP solo contendría un quark y un antiquark. Según Murayama, la colisión de galaxias dentro del cúmulo Abell 3827 aporta pruebas de la existencia de las SIMP.

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Materia oscura y energía oscura

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Materia oscura y energía oscura, ¿existen realmente?

por Amelia Ortiz · Publicada 23 noviembre, 2017 ·
23/11/2017 de Universidad de Ginebra (UNIGE) / The Astrophysical Journal


Cúmulo de galaxias de Coma. Estudiando este cúmulo el astrónomo Franz Zwicky propuso por primera vez la existencia de la materia oscura, en 1933. Crédito: NASA / JPL-Caltech / L. Jenkins (GSFC).

Durante casi un siglo, los astrónomos han barajado la hipótesis de que el Universo contenga más materia de la que puede observarse directamente, conocida como “materia oscura”. También han propuesto la existencia de una “energía oscura” que es más potente que la atracción gravitatoria. Estas dos hipótesis se argumenta que explicarían el movimiento de las estrellas en galaxias y la expansión acelerada del Universo, respectivamente. Pero según un investigador de la Universidad de Ginebra (Suiza) estos conceptos podrían ya no ser válidos: los fenómenos que se supone que describen pueden ser demostrados sin ellos. Un nuevo modelo teórico basado en la invariancia de escala del espacio vacío podría resolver dos de los mayores misterios de la astronomía.

El modo en el que representamos el Universo y su historia es descrito por las ecuaciones de la relatividad general de Einstein, la gravitación universal de Newton y la mecánica cuántica. El modelo de consenso actual es el de un big bang seguido por una expansión. “En este modelo existe una hipótesis de inicio que no ha sido tenida en cuenta, en mi opinión”, afirma André Maeder (UNIGE). “Me refiero a la invariancia de escala del espacio vacío; en otras palabras, que el espacio vacío y sus propiedades no cambian debido a una dilatación o contracción”. El espacio vacío juega un papel primordial en las ecuaciones de Einstein a través de una cantidad conocida como la “constante cosmológica”, y el modelo de universo resultante depende de ella. En base a esta hipótesis, Maeder ha reexaminado el modelo del universo, señalando que la invariancia de escala del espacio vacío está también presente en la teoría fundamental del electromagnetismo.

Cuando Maeder realizó pruebas cosmológicas con su nuevo modelo, comprobó que coincidía con las observaciones. También descubrió que el modelo predice la expansión acelerada del universo sin necesidad de recurrir a una partícula de energía oscura. En resumen, parece que la energía oscura podría no existir dado que la aceleración de la expansión está contenida en las ecuaciones de la física.

En una segunda fase, Maeder se centró en la ley de Newton, que es un ejemplo particular de la relatividad general. La ley resulta ligeramente modificada cuando el modelo incorpora la hipótesis nueva de Maeder. Contiene un término muy pequeño de aceleración hacia afuera, que es particularmente significativo a bajas densidades. Esta ley modificada, cuando se aplica a los cúmulos de galaxias, conduce a masas de los cúmulos en línea con la materia que es visible: esto significa que no se necesita materia oscura para explicar las velocidades altas de las galaxias en los cúmulos. Un segundo test demostró que su ley también predice las velocidades altas de las estrellas en las regiones exteriores de las galaxias sin necesidad de invocar la materia oscura.

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De la naturaleza de la materia oscura

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Nuevo descubrimiento acerca de la naturaleza de la materia oscura

por Amelia Ortiz · Publicada 27 octubre, 2017 ·
27/10/2017 de Hubble ESA / Monthly Notices of the Royal Astronomical Society


Abell S1063 es un cúmulo de galaxias que fue observado dentro del programa Campos Fronterizos del telescopio espacial Hubble. En él se ve una gran galaxia elíptica, la “galaxia más brillante” o BCG que se encuentra en el centro del cúmulo. Crédito: NASA, ESA, y J. Lotz (STScI).

Empleando el telescopio espacial Hubble de NASA/ESA, un equipo de astrónomos ha descubierto que las galaxias más brillantes de los cúmulos de galaxias “se tambalean” respecto al centro de masas del cúmulo. Este resultado inesperado va en contra de las predicciones realizadas por el modelo estándar actual de la materia oscura. Un análisis más profundo puede que proporcione datos acerca de la naturaleza de la materia oscura, quizás indicando incluso la presencia de nuevos principios de la física.

La mateia oscura constituye poco más de un 25 por ciento de toda la materia del Universo pero no puede ser observada directamente, lo que la convierte en uno de los mayores misterios de la astronomía moderna. Halos invisibles de la escurridiza materia oscura rodean a galaxias y cúmulos de galaxias. Estos últimos son grupos masivos compuestos de hasta mil galaxias inmersos en gas intergaláctico caliente. Tales cúmulos poseen centros muy densos, cada uno conteniendo una galaxia masiva que recibe el nombre de “galaxia más brillante del cúmulo”, o BCG, de sus iniciales en inglés.

El modelo estándar de la materia oscura (modelo de materia oscura fría) predice que una vez el cúmulo de galaxias ha regresado a su estado “relajado” después de experimentar la turbulencia de un proceso de fusión con otro cúmulo, la BCG no se mueve del centro del cúmulo. Permanece inmóvil en su posición por la enorme fuerza de gravedad de la materia oscura. Pero ahora un equipo de astrónomos suizos, franceses y británicos ha analizado 10 cúmulos de galaxias, observados con el telescopio espacial Hubble, descubriendo que sus galaxias BCG no están fijas en el centro como se esperaba.

Los datos del Hubble indican que están “oscilando” alrededor del centro de masas de cada cúmulo. Si este “tambaleo” no es un fenómeno físico desconocido y resulta se realmente un efecto del comportamiento de la materia oscura, entonces esto contradice el modelo estándar de la materia oscura y sólo puede ser explicado si las partículas de materia oscura pueden interactuar unas con otras – algo que contradice fuertemente la noción actual de materia oscura. Esto podría indicar que son necesarios nuevos principios físicos fundamentales para resolver el misterio de la materia oscura.

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Estructura de la materia oscura

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El proyecto DES revela la medida más precisa de la estructura de la materia oscura en el Universo

por Amelia Ortiz · Publicada 4 agosto, 2017 ·
4/8/2017 de Fermilab

Mapa de la materia oscura realizado a partir de medidas de lentes gravitatorias en 26 millones de galaxias del Rastreo de Energía Oscura (DES). El mapa cubre un 1/30 del cielo entero y su extensión es de varios miles de millones de años-luz. Las regiones de color rojo poseen más materia oscura que el promedio, las azules contienen menos. Crédito: Chihway Chang del Kavli Institute for Cosmological Physics at the University of Chicago y la colaboración DES.

Los nuevos resultados del proyecto Dark Energy Survey (DES) rivalizan en precisión con las medidas del fondo cósmico de microondas, apoyando la visión de que la materia y la energía oscuras constituyen la mayor parte del cosmos.

Los científicos del proyecto DES han desvelado la medida más precisa hasta la fecha de la estructura a gran escala actual del Universo. Estas medidas de la distribución de la materia oscura en el cosmos actual han sido realizadas con una precisión tal que, por primera vez, rivaliza con los datos sobre el Universo temprano obtenidos por el observatorio orbital Planck de la ESA. El nuevo resultado de DES está cerca de las predicciones realizadas a partir de las medidas con Planck del pasado remoto, permitiendo a los científicos conocer mejor los modos en que el Universo ha evolucionado en estos 14 mil millones de años.

“Este resultado es más que emocionante”, afirma Scott Dodelson (Fermilab). “Por vez primera podemos ver la estructura actual del Universo con la misma claridad con que podemos verla en su infancia, y podemos seguir los hilos de uno al otro, confirmando muchas predicciones a lo largo del camino”.

Una de las conclusiones más notables de este estudio es que apoya la teoría de que el 26 por ciento del Universo se encuentra en forma de una misteriosa materia oscura y que el espacio está lleno de una energía oscura también invisible, que está causando la aceleración de la expansión del Universo, y que constituye el 70 por ciento de este.

[Fuente]

La materia oscura sea probablemente “fría”

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La materia oscura es probablemente ‘fría’, y no ‘borrosa’, según nuevas simulaciones

por Amelia Ortiz · Publicada 25 julio, 2017 ·
25/7/2017 de University of Washington / Physical Review Letters

Estas imágenes muestran la absorción de luz por el gas hidrógeno del medio intergaláctico, con áreas brillantes indicando una alta densidad del gas. Las curvas también muestran la absorción del hidrógeno. A la izquierda hay una simulación basada en el modelo estándar de la materia oscura fría. A la derecha se muestra una simulación basada en la materia oscura borrosa. La curva de la izquierda está más de acuerdo con los datos analizados por Iršič y sus colaboradores. Crédito: Vid Iršič.

Los científicos nunca la han detectado la materia oscura directamente. Pero con el paso de las décadas, han ido proponiendo distintas teorías sobre el tipo de material – desde partículas nuevas a agujeros negros primordiales – que podría constituir la materia oscura y explicar sus muchos efectos sobre la materia normal. Ahora un equipo internacional de cosmólogos ha utilizado datos del medio intergaláctico – el vasto espacio casi vacío que hay entre las galaxias – para precisar qué podría ser la materia oscura.

Los hallazgos del equipo de investigadores arroja dudas sobre una teoría relativamente nueva llamada “materia oscura borrosa” y da crédito, en cambio, a un modelo diferente llamado “materia oscura fría”. Sus resultados podrían guiar los esfuerzos que se están realizando para detectar directamente la materia oscura, especialmente si los investigadores tienen una idea clara de qué tipo de propiedades son las que deberían de buscar.

La materia oscura fría es la más antigua de estas dos teorías y es el modelo estándar actual de la materia oscura. Indica que está constituida por partículas relativamente masivas que se desplazan lentamente y con poca interacción. En la teoría de la materia oscura borrosa, ésta consiste en partículas ultraligeras cuyos movimientos a grandes distancias no podrían explicarse según la física newtoniana clásica sino según la mecánica cuántica.

Vid Iršič (Universidad de Washington) y sus colaboradores se propusieron crear modelos de las propiedades hipotéticas de la materia oscura teniendo estos dos modelos en mente, basándose en observaciones relativamente nuevas del medio intergaláctico, compuesto principalmente por materia oscura pero también gas hidrógeno y pequeñas cantidades de helio que absorben la luz emitida por objetos lejanos como los cuásares. Utilizando una supercomputadora de la Universidad de Cambridge, Iršič y sus colaboradores descubrieron que la partícula típica predicha por la teoría de la materia oscura borrosa es simplemente demasiado ligera como para explicar los patrones de absorción de luz del hidrógeno del medio intergaláctico. Una partícula más pesada, como la predicha por la teoría de la materia oscura fría tradicional, coincide mejor con sus simulaciones.

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En la búsqueda de materia oscura

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El experimento XENON1T publica su primer resultado en la búsqueda de materia oscura

por Amelia Ortiz · Publicada 19 mayo, 2017 ·
19/5/2017 de Purdue University


Las instalaciones de XENON1T en el laboratorio subterráneo del Gran Sasso. El edificio de tres pisos de la derecha contiene varios sistemas auxiliares. El criostato que contiene el detector está dentro del gran tanque de agua de la izquierda, junto al edificio. Crédito: Roberto Corrieri y Patrick De Perio.

“¡El mejor resultado hasta ahora sobre la materia oscura… y acabamos de empezar!”. Así es cómo los científicos del experimento XENON1T, actualmente el experimento de materia oscura más sensible del mundo, albergado en el INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Italia, anunciaron su primer resultado  a la comunidad científica tras 30 días de funcionamiento.

La materia oscura es uno de los componentes básicos del Universo, cinco veces más abundante que la materia ordinaria. Varias medidas astronómicas han corroborado la existencia de la materia oscura, instigando la aparición de proyectos en todo el mundo que persiguen detectar directamente la interacciones entre las partículas de materia oscura y de la 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 ahora, obligando a los científicos a construir detectores cada vez más sensibles.

La colaboración XENON se encuentra en primera línea de esta búsqueda con el experimento XENON1T. Los resultados de los primeros 30 días de funcionamiento muestran que el detector ha conseguido un nuevo récord de nivel de radiactividad baja, muchos órdenes de magnitud por debajo de los materiales terrestres. Con una masa total de 3200 kg, XENON1T es al mismo tiempo el mayor detector de este tipo que se haya construido jamás.  La combinación de tamaño mayor y un ruido de fondo mucho menor anuncian un excelente potencial para el descubrimiento de la materia oscura en los próximos años.

La colaboración XENON reune 135 investigadores de USA, Alemania, Italia, Suiza, Portugal, Francia, Países Bajos, Israel, Suecia y los Emiratos Árabes Unidos. “La mejor noticia es que el experimento continúa acumulando datos excelentes que nos permitirán comprobar pronto algunas hipótesis sobre WIMP [una clase de partículas candidatas a ser la materia oscura] en una región de masa y sección eficaz con átomos normales como nunca antes se había hecho”, explica Elena Aprile (Columbia University).

[Fuente Noticia]