Los términos energía oscura y materia oscura no son del todo exitosos y representan una traducción literal, pero no semántica, del inglés. En el sentido físico, estos términos solo significan que estas sustancias no interactúan con los fotones, y también podrían llamarse materia y energía invisibles o transparentes.
La materia oscura en astronomía y cosmología, así como en física teórica, es una forma hipotética de materia que no emite ni interactúa con radiación electromagnética. Esta propiedad de esta forma de materia hace imposible su observación directa.
La conclusión sobre la existencia de materia oscura se basa en numerosos signos, coherentes entre sí, pero indirectos, del comportamiento de los objetos astrofísicos y los efectos gravitacionales que crean. El descubrimiento de la naturaleza de la materia oscura ayudará a resolver el problema de la masa oculta, que, en particular, radica en la velocidad de rotación anormalmente alta de las regiones exteriores de las galaxias.
Averigüemos más sobre todo esto …
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La materia oscura y la energía oscura no son visibles a simple vista, pero su presencia ha sido probada mediante observaciones del universo. Hace miles de millones de años, nuestro universo nació después de un catastrófico Big Bang. A medida que el universo primitivo se enfrió lentamente, la vida comenzó a desarrollarse en él. Como resultado, se formaron estrellas, galaxias y otras partes visibles de la misma. El tamaño de nuestro universo es simplemente asombroso. Por ejemplo, un Sol es suficiente para iluminar y calentar un millón de planetas como la Tierra. En este caso, el Sol es una estrella de tamaño mediano y nuestra galaxia está formada por 100 mil millones de estrellas. Este número excede el número de granos de arena en una playa pequeña. Sin embargo, esto no es todo.
Como saben, el Universo consta de varios miles de millones de galaxias, donde existe una variedad de materia. ¿Es posible que alguno de estos asuntos fuera invisible a los ojos? Muy probablemente, dado que los resultados de estudios recientes han demostrado que podemos ver solo una décima parte del universo. Esto significa que más del 90% de la materia simplemente no puede ser examinada por una persona incluso con el uso de equipo especial. Los astrónomos llaman a esta materia oscura.
Se sabe que la materia oscura interactúa con la "luminosa" (bariónica), al menos de manera gravitacional, y es un medio con una densidad cosmológica media varias veces superior a la densidad de los bariones. Estos últimos son capturados en los pozos gravitacionales de concentraciones de materia oscura. Por lo tanto, aunque las partículas de materia oscura no interactúan con la luz, la luz se emite desde donde hay materia oscura. Esta notable propiedad de la inestabilidad gravitacional hizo posible estudiar la cantidad, el estado y la distribución de la materia oscura a partir de los datos de observación del rango de radio a los rayos X.
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Publicado en 2012, un estudio del movimiento de más de 400 estrellas ubicadas a distancias de hasta 13.000 años luz del Sol no encontró evidencia de la presencia de materia oscura en un gran volumen de espacio alrededor del Sol. Según las predicciones de las teorías, la cantidad promedio de materia oscura en las proximidades del Sol debería haber sido de aproximadamente 0,5 kg en el volumen de la Tierra. Sin embargo, las mediciones dieron un valor de 0,00 ± 0,06 kg de materia oscura en este volumen. Esto significa que los intentos de registrar la materia oscura en la Tierra, por ejemplo, con interacciones raras de partículas de materia oscura con materia "ordinaria", difícilmente pueden tener éxito.
Según las observaciones del Observatorio Espacial de Planck publicadas en marzo de 2013, interpretadas teniendo en cuenta el modelo cosmológico estándar Lambda-CDM, la masa-energía total del Universo observado es el 4,9% de la materia ordinaria (bariónica), el 26,8% de la materia oscura. materia y 68,3% de energía oscura. Por tanto, el universo está compuesto en un 95,1% por materia oscura y energía oscura.
La prueba de la existencia de la materia oscura es su pesadez, la fuerza de la gravedad que, como el pegamento, mantiene la integridad del Universo. Todas las partes del universo se atraen mutuamente. Gracias a esto, los científicos pudieron calcular la masa total del Universo visible, así como los indicadores de las fuerzas gravitacionales. Durante los cálculos, se reveló un desequilibrio importante en estos parámetros, lo que dio motivos para creer que existe alguna materia invisible que tiene cierta masa y también está sujeta a la gravedad.
El estudio de la materia oscura Además, la evidencia de la existencia de la materia oscura fue su influencia gravitacional sobre otros objetos, incluida la trayectoria de movimiento de estrellas y galaxias. Se ha descubierto que muchas galaxias giran más rápido de lo esperado. Según la teoría de la gravedad de A. Einstein, deberían volar en diferentes direcciones. Sin embargo, algo invisible parece mantenerlos unidos.
Además, la materia oscura puede afectar la trayectoria de propagación de la luz. Se investigó el fenómeno de las lentes gravitacionales, que consiste en que los objetos densos son capaces de reflejar la luz de objetos distantes, cambiando la trayectoria de los flujos de luz. Esto conduce a la distorsión de la imagen y la aparición de espejismos de estrellas y galaxias. Los científicos registran estas curvas de luz, pero no pueden nombrar la naturaleza de este fenómeno.
La materia oscura en nuestro universo puede existir en forma de objetos de halo astronómicos masivos (MAGO). Estos incluyen planetas, lunas, enanas marrones y blancas, nubes de polvo, estrellas de neutrones y agujeros negros. Por regla general, son demasiado pequeños para que los humanos puedan detectar su luz, sin embargo, su existencia puede calcularse mediante el efecto gravitacional sobre los flujos de luz. En los últimos años, los astrónomos han descubierto varios tipos de objetos MAGO. Pueden consistir en partículas bariónicas ordinarias y axinas, neutrinas, wimpils y materia oscura supersimétrica.
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Investigación sobre materia oscura y energía oscura
A medida que el interés en la materia oscura sigue creciendo, están surgiendo nuevas herramientas para ayudar a obtener información más amplia sobre este misterioso fenómeno. Por ejemplo, el telescopio espacial Hubble ha proporcionado información muy valiosa sobre el tamaño y la masa del universo visible. Estos datos fueron el primer y muy importante paso hacia el estudio de la verdadera cantidad de materia oscura en el universo.
Es importante comprender que la estructura del Universo no es aleatoria y, con la ayuda del Hubble, puede representar su estructura en detalle. Se sabe con certeza que las galaxias están ubicadas en cúmulos, y estos cúmulos están en súper cúmulos. Los supercúmulos de cuerpos cósmicos están ubicados en una estructura esponjosa con amplios vacíos. Obviamente, la formación de tal estructura se debe a razones muy específicas. Los telescopios de rayos X del Observatorio Chandra están ayudando a estudiar las enormes nubes de gas caliente en estos cúmulos. Los científicos han descubierto que la materia oscura también debe estar presente en estas áreas, de lo contrario, el gas escapará del cúmulo. Además, actualmente se están desarrollando nuevas herramientas que, al final, ayudarán a discernir este lado oscuro del universo.
Enfoques y métodos para estudiar partículas de materia oscura
En este momento, científicos de todo el mundo están tratando de todas las formas posibles de descubrir u obtener artificialmente partículas de materia oscura en condiciones terrestres, utilizando equipos supertecnológicos especialmente diseñados y muchos métodos de investigación científica diferentes, pero hasta ahora no todos los trabajos han sido coronados por el éxito.
De que esta hecho el universo
Uno de los métodos implica la realización de experimentos con aceleradores de alta energía, comúnmente conocidos como colisionadores. Los científicos, que creen que las partículas de materia oscura son 100-1000 veces más pesadas que un protón, suponen que tendrán que ser generadas cuando las partículas ordinarias chocan, aceleradas a altas energías por un colisionador. La esencia de otro método es registrar las partículas de materia oscura que nos rodean. La principal dificultad para registrar estas partículas es que exhiben una interacción muy débil con las partículas ordinarias, que son inherentemente transparentes para ellas. Y sin embargo, las partículas de materia oscura muy raras veces, pero chocan con los núcleos atómicos, y hay una cierta esperanza, tarde o temprano, de registrar este fenómeno.
Existen otros enfoques y métodos para estudiar las partículas de materia oscura, y cuál de ellos será el primero en conducir al éxito, solo el tiempo lo dirá, pero en cualquier caso, el descubrimiento de estas nuevas partículas se convertirá en un gran logro científico.
Sustancia antigravedad
La energía oscura es una sustancia aún más inusual que la misma materia oscura. No tiene la capacidad de agruparse en grupos, como resultado de lo cual se distribuye uniformemente por todo el Universo. Pero su propiedad más inusual en este momento es la antigravedad.
Gracias a los métodos astronómicos modernos, es posible determinar la tasa de expansión del Universo en el momento actual y simular el proceso de su cambio más temprano en el tiempo. Como resultado, se obtuvo información de que en este momento, así como en el pasado reciente, nuestro Universo se está expandiendo, mientras que la tasa de este proceso aumenta constantemente. Por eso apareció la hipótesis sobre la antigravedad de la energía oscura, ya que la atracción gravitacional habitual tendría un efecto ralentizador sobre el proceso de "recesión de las galaxias", frenando la tasa de expansión del Universo. Este fenómeno no contradice la teoría general de la relatividad, pero al mismo tiempo, la energía oscura debe tener presión negativa, una propiedad que ninguna de las sustancias conocidas actualmente posee.
Candidatos para el papel de "Energía oscura"
La masa de las galaxias en el cúmulo Abel 2744 es menos del 5 por ciento de su masa total. Este gas está tan caliente que solo brilla en el rango de rayos X (rojo en esta imagen). La distribución de materia oscura invisible (que constituye alrededor del 75 por ciento de la masa de este cúmulo) es de color azul.
Uno de los supuestos candidatos para el papel de la energía oscura es el vacío, cuya densidad de energía permanece sin cambios durante la expansión del Universo y, por lo tanto, confirma la presión negativa del vacío. Otro candidato putativo es la "quintaesencia", un campo superdebil previamente inexplorado que supuestamente atraviesa todo el universo. También hay otros posibles candidatos, pero ninguno de ellos de momento ha contribuido a obtener una respuesta certera a la pregunta: ¿qué es la energía oscura? Pero ya está claro que la energía oscura es algo completamente sobrenatural, siendo el principal misterio de la física fundamental del siglo XXI.
