En una nueva era de investigación generalizada de la materia oscura, la controvertida idea de su concentración en discos delgados está saliendo del olvido científico
En 1932, el astrónomo holandés Jan Oort contó estrellas en la Vía Láctea y descubrió que faltaban. Basado en el hecho de que las estrellas, moviéndose en un círculo en el plano de la galaxia, saltan arriba y abajo como caballos en un carrusel, Oort calculó que la materia que ejerce un efecto gravitacional sobre ellas y las pone en movimiento debería ser el doble de lo que vio. … Oort postuló que la falta está compensada por "materia oscura" oculta, y sugirió que está concentrada en el disco, lo que explica el movimiento de las estrellas.
Sin embargo, el descubrimiento de la materia oscura, como se llama materia invisible e indeterminada, que constituye cinco sextos de la masa del universo, se suele atribuir al astrónomo suizo-estadounidense Fritz Zwicky, quien en 1933 derivó su existencia de los movimientos mutuos de las galaxias. Oort no era muy conocido porque estaba en el camino equivocado. Para el año 2000, los autores de nuevos estudios de la Vía Láctea, utilizando el método de Oort, determinaron que la masa "faltante" estaba contenida en estrellas débiles, gas y polvo, y la necesidad de un disco oscuro ya no era necesaria. Las pistas de hace 80 años indican que la materia oscura, sea lo que sea, forma nubes esféricas alrededor de las galaxias, llamadas "halos".
Bueno, al menos eso es lo que dicen la mayoría de los cazadores de materia oscura. Pero aunque el concepto de disco oscuro ha perdido popularidad, nunca se ha abandonado por completo. Más recientemente, esta idea ha encontrado un gran admirador de Lisa Randall, profesora de física de la Universidad de Harvard, quien sacó la teoría del disco del olvido científico y la empujó al centro de la escena galáctica.
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Después de haber propuesto su modelo en 2013, Randall y sus colegas han argumentado desde entonces que el disco oscuro podría explicar los rayos gamma del centro galáctico, la distribución plana de galaxias enanas en órbita alrededor de la nebulosa de Andrómeda y la Vía Láctea, e incluso caídas periódicas de cometas y extinciones masivas. especies en la Tierra. Escribió sobre esto en su libro de divulgación científica Dark Matter and the Dinosaurs, publicado en 2015.
Sin embargo, los astrofísicos que inventan la Vía Láctea han protestado, argumentando que la masa total de la galaxia y los saltos de sus estrellas coinciden demasiado bien, sin dejar espacio para un disco oscuro. "Es mucho más estricto de lo que piensa Lisa Randall", dice el astrofísico de la Universidad de Toronto Jo Bovy.
Ahora Randall, que ha desarrollado una serie de grandes ideas sobre cuestiones críticas de la física fundamental, contraataca. En un artículo publicado en línea la semana pasada y aceptado para su publicación en The Astrophysical Journal, Randall y su alumno Eric Kramer encontraron una laguna en forma de disco en su análisis de la Vía Láctea: “Hay un detalle importante que todavía tenemos todavía no he prestado atención, escriben. "El disco puede crear espacio para sí mismo".
Si un disco oscuro pasa a través del plano medio de la galaxia, argumentan Randall y Kramer, entonces la gravedad empuja el resto de la materia hacia adentro, lo que lleva a un aumento en la densidad de estrellas, gas y polvo en el plano medio. Los científicos generalmente calculan la masa aparente total de la Vía Láctea extrapolando hacia afuera en función de la densidad del plano medio. Si hay un efecto de constricción, esta extrapolación conducirá a una exageración de la masa aparente, y entonces surge la impresión de que la masa corresponde al movimiento de las estrellas. Por esta razón, los autores de estudios anteriores no han visto evidencia de un disco oscuro, dice Kramer. Junto con Randall, creen que es posible un disco delgado y oscuro y que de alguna manera su presencia es preferible a su ausencia.
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"El trabajo de Lisa ha revivido este negocio", dice Chris Flynn de la Universidad Tecnológica de Swinburne en Melbourne, Australia. Él, junto con Johan Holmberg (Johan Holmberg) a principios de la década de 2000, realizó varios "inventarios" de la Vía Láctea, que parecieron destruir por completo todas las posibilidades de la existencia de un disco oscuro.
Bowie no está de acuerdo. Incluso si tenemos en cuenta el efecto de constricción, según su estimación, no más del 2% de la cantidad total de materia oscura puede estar en el disco oscuro, mientras que el resto de la materia debería formar un halo. "Creo que la mayoría de la gente quiere averiguar qué es el 98% de la materia oscura, no el 2%", dice.
Este debate, como el destino del disco oscuro, pronto se resolverá. El satélite Gaia de la Agencia Espacial Europea está telescópicamente actualmente las posiciones y velocidades de mil millones de estrellas, y un registro definitivo de la Vía Láctea podría completarse a fines del próximo verano.
Cúmulo de galaxias joven Abell 2151 en la constelación de Hércules
ESO / INAF-VST / OmegaCAM / A. Fujii / Digitized Sky Survey 2
Abrir un disco oscuro de cualquier tamaño sería extremadamente revelador. Si existe, la materia oscura resultará mucho más compleja de lo que los científicos han creído durante mucho tiempo. La materia se acumula en forma de disco solo si tiene la capacidad de emitir energía, y la mejor manera de emitir suficiente energía es formando átomos. La existencia de átomos oscuros significaría que los protones oscuros y los electrones oscuros, cargados como protones y electrones visibles, interactúan entre sí a través de la fuerza oscura transmitida por los fotones oscuros. Incluso si el 98% de la materia oscura es inerte y forma un halo, la existencia del disco oscuro más delgado significaría la presencia de un "sector oscuro" de partículas desconocidas, tan diverso como el Universo visible.
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“La materia ordinaria es bastante compleja; hay materia que juega un papel en los átomos, y hay materia que no juega, dice el astrofísico de la Universidad de California, Irvine, James Bullock. "Por lo tanto, no sería una locura imaginar que las otras cinco sextas partes de la materia del Universo también son bastante complejas, y que hay una cierta parte de este sector oscuro que existe en forma de átomos ligados".
El concepto de la complejidad de la materia oscura ha encontrado recientemente más y más partidarios, ayudados por anomalías astrofísicas que realmente no encajan con la idea de la materia oscura como pasiva, lenta y "partículas masivas de interacción débil". Estas anomalías, así como el hecho de que en el transcurso de experimentos detallados en diferentes países del mundo nunca se detectaron tales partículas pesadas de interacción débil (WIMP), debilitaron esta teoría y marcaron el comienzo de una nueva era en la que cualquiera puede especular que es para tal bestia - materia oscura.
Esta era llegó en algún momento de 2008, cuando los participantes del experimento PAMELA descubrieron un exceso de positrones provenientes del espacio (en comparación con los electrones). Esta asimetría ha alimentado el interés en el ahora popular modelo de "materia oscura asimétrica" propuesto por Kathryn Zurek y sus colegas. Había pocas ideas en circulación en ese momento, aparte del concepto de debiluchos. “Hubo modeladores como yo que entendieron que la idea de materia oscura estaba completamente subdesarrollada en esta dirección”, dice Tsurek, quien ahora trabaja en el Laboratorio Nacional. Lawrence Berkeley en California. "Así que nos sumergimos de lleno en este trabajo".
La densidad de las galaxias enanas fue otro estímulo. Cuando los científicos intentan modelar su formación, las galaxias enanas tienden a ser demasiado densas en sus centros, a menos que los científicos asuman que las partículas de materia oscura pueden interactuar entre sí utilizando fuerzas oscuras. Pero si agregamos una interacción demasiado fuerte aquí, entonces destruimos los modelos de formación de estructuras en el Universo temprano.
"Estamos tratando de averiguar qué se puede tolerar", dice Bullock, quien también diseña estos modelos. La mayoría de los modeladores permiten interacciones débiles que no afectan la forma del halo de materia oscura. “Pero lo notable es que hay una clase de materia oscura que permite que se formen los discos”, dice Bullock. En este caso, solo una pequeña fracción de partículas de materia oscura interactuará, pero interactuarán lo suficientemente fuerte como para disipar energía y luego formar discos.
A Randall y sus colegas JiJi Fan, Andrey Katz y Matthew Reece en 2013 se les ocurrió esta idea de la misma manera que Oort. Intentaron explicar la aparente anomalía de la Vía Láctea. La llamada línea de Fermi es un exceso de rayos gamma de cierta frecuencia provenientes del centro galáctico. "La materia oscura ordinaria no podría destruir lo suficiente como para producir la línea Fermi", dice Randall, "así que pensamos, ¿y si es mucho más densa?" Así que el disco oscuro tuvo una segunda vida. La línea Fermi desapareció a medida que surgieron más datos, pero aún valía la pena explorar la idea del disco. En 2014, Randall y Rees sugirieron que es precisamente debido al disco que hay intervalos de 30 a 35 millones de años entre la creciente actividad de los cometas y los meteoros.que algunos científicos asocian con extinciones masivas periódicas. Cada vez que el sistema solar rebota hacia arriba o hacia abajo en el tiovivo de la Vía Láctea, argumentan, el efecto gravitacional del disco podría desestabilizar asteroides y cometas en la nube de Oort, un vertedero de basura en las afueras de nuestro sistema solar que lleva el nombre de un astrónomo holandés. Estos objetos vuelan hacia la parte interior del sistema solar y algunos caen a la Tierra.
Pero Randall y su equipo solo hicieron un análisis superficial, y resultó que un análisis incorrecto de cuánto espacio en la masa total de la Vía Láctea queda para el disco oscuro, a juzgar por el movimiento de las estrellas. "Hicieron algunas declaraciones escandalosas", dijo Bovey.
Randall, conocida entre sus compañeros por su tenacidad (según Rees), llevó a Kramer al caso para responder a las críticas y "allanar todas las arrugas" en el análisis antes de que los datos de Gaia estuvieran disponibles. Un nuevo análisis mostró que una vez que existía un disco oscuro, no podía ser tan denso como creía inicialmente su equipo. Pero todavía había espacio para un disco oscuro delgado, debido a su efecto de constricción y la incertidumbre adicional causada por la pura deriva de las estrellas en la Vía Láctea que se observa.
Chris McKee y sus colegas de la Universidad de California en Berkeley han identificado un nuevo problema, sobre el que escribieron en The Astrophysical Journal. McKee cree que un disco delgado y oscuro aún podría introducirse en el almacenamiento masivo de la Vía Láctea. Pero este disco puede ser tan delgado que simplemente colapsa. Citando investigaciones de las décadas de 1960 y 1970, McKee y sus colegas escriben que los discos no pueden ser mucho más delgados que el disco de gas visible en la Vía Láctea, ya que colapsarían. "Quizás la materia oscura tiene propiedades que son diferentes de las propiedades de la materia ordinaria y previenen esto, pero no sé qué podría ser", dijo McKee.
Randall todavía tiene que defenderse de este último ataque, calificándolo de "una pregunta delicada que se encuentra actualmente en estudio". También estuvo de acuerdo con la opinión expresada por Bowie: que el disco de átomos oscuros cargados es insignificante en comparación con la naturaleza del 98% de la materia oscura. Ahora está explorando la posibilidad de que toda la materia oscura pueda cargarse con una sola fuerza oscura, pero debido al exceso de protones oscuros sobre electrones oscuros, solo una pequeña fracción se une a los átomos y se lleva al disco. En este caso, el disco y el halo deben estar compuestos por los mismos elementos, "lo que sería más económico", dice. "Pensamos que se podía descartar, pero no funcionó".
Hasta ahora, el disco oscuro sigue vivo, como símbolo de todo lo que se desconoce sobre el lado oscuro del universo. "Creo que es muy, muy útil en esta área que diferentes personas estén analizando diferentes ideas", dice Bullock. "Porque no tenemos idea de qué es la materia oscura, y debemos estar preparados para una variedad de opciones".
