Todo lo que hemos observado en el Universo, desde la materia hasta la radiación, se puede descomponer en los componentes más pequeños. Todo en este mundo está hecho de átomos, que están formados por nucleones y electrones, y los nucleones se dividen en quarks y gluones. La luz también se compone de partículas: fotones. Incluso las ondas gravitacionales, en teoría, están formadas por gravitones: partículas que algún día, si tenemos suerte, encontramos y arreglamos. Pero, ¿qué pasa con la materia oscura? No se puede negar la evidencia indirecta de su existencia. Pero, ¿debería estar compuesto también de partículas?
Estamos acostumbrados a pensar que la materia oscura está formada por partículas y tratamos desesperadamente de detectarlas. Pero, ¿y si buscamos en el lugar equivocado?
Si la energía oscura puede interpretarse como energía inherente a la estructura del espacio mismo, ¿podría ser que la "materia oscura" también es una función interna del propio espacio, relacionada cercana o remotamente con la energía oscura? ¿Y que en lugar de materia oscura, los efectos gravitacionales que podrían explicar nuestras observaciones se deben más a la "masa oscura"?
Bueno, especialmente para usted, el físico Ethan Siegel ha presentado nuestros enfoques teóricos y posibles escenarios.
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Una de las características más interesantes del universo es la relación uno a uno entre lo que hay en el universo y cómo cambia la tasa de expansión con el tiempo. A través de muchas mediciones cuidadosas de muchas fuentes dispares (estrellas, galaxias, supernovas, el fondo cósmico de microondas y las estructuras a gran escala del universo) hemos podido medir ambos, definiendo de qué está hecho el universo. Básicamente, hay muchas ideas diferentes sobre en qué puede consistir nuestro Universo, y todas tienen diferentes efectos sobre la expansión cósmica.
Gracias a los datos obtenidos, ahora sabemos que el universo está formado por lo siguiente:
- 68% de energía oscura, que permanece en una densidad de energía constante incluso con la expansión del espacio;
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- El 27% de la materia oscura, que exhibe fuerza gravitacional, se difumina a medida que aumenta el volumen y no se permite medir con ninguna otra fuerza conocida;
- 4,9% de la materia ordinaria, que manifiesta todas las fuerzas, se difumina a medida que aumenta el volumen, se anuda en grumos y se compone de partículas;
- Los neutrinos al 0,1%, que presentan interacciones gravitacionales y electrodébiles, están formados por partículas y solo van juntos cuando disminuyen lo suficiente como para comportarse como materia, no como radiación;
- 0.01% de los fotones, que exhiben influencias gravitacionales y electromagnéticas, se comportan como radiación y se difuminan tanto al aumentar el volumen como al estirar las longitudes de onda.
Con el tiempo, estos diversos componentes se vuelven relativamente más o menos importantes, y este porcentaje representa de qué está hecho el universo hoy.
La energía oscura, como se desprende de nuestras mejores mediciones, tiene las mismas propiedades en cualquier punto del espacio, en todas las direcciones del espacio y en todos los episodios de nuestra historia cósmica. En otras palabras, la energía oscura es a la vez homogénea e isotrópica: es la misma en todas partes y siempre. Por lo que sabemos, la energía oscura no necesita partículas; fácilmente puede ser una propiedad inherente al tejido del espacio.
Pero la materia oscura es fundamentalmente diferente.
Para que se forme la estructura que vemos en el Universo, especialmente a gran escala cósmica, la materia oscura no solo debe existir, sino que también debe unirse. No puede tener la misma densidad en todo el espacio; más bien, debería concentrarse en regiones de mayor densidad y debería ser menos denso, o estar completamente ausente, en regiones de menor densidad. De hecho, podemos saber cuánta materia total se encuentra en diferentes regiones del espacio, guiados por observaciones. Los tres más importantes son:
Espectro de poder de la materia
Mapee la materia en el Universo, vea a qué escalas corresponde a las galaxias, es decir, qué probabilidades hay de encontrar otra galaxia a cierta distancia de la galaxia con la que comienza, y estudie el resultado. Si el universo consistiera en una sustancia homogénea, la estructura estaría manchada. Si hubiera materia oscura en el universo que no se acumulara lo suficientemente temprano, la estructura a pequeña escala sería destruida. El espectro de potencia de la energía nos dice que aproximadamente el 85% de la materia del Universo está representada por materia oscura, que es muy diferente de los protones, neutrones y electrones, y esta materia oscura nació fría, o su energía cinética es comparable a la masa en reposo.
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Lente gravitacional
Eche un vistazo al objeto masivo. Digamos un quásar, galaxia o cúmulos de galaxias. Vea cómo la luz de fondo se distorsiona por la presencia de un objeto. Dado que entendemos las leyes de la gravedad gobernadas por la teoría de la relatividad general de Einstein, la forma en que se dobla la luz nos permite determinar cuánta masa hay en cada objeto. A través de otros métodos, podemos determinar la cantidad de masa que está presente en la materia ordinaria: estrellas, gas, polvo, agujeros negros, plasma, etc. Y nuevamente encontramos que el 85% de la materia está representada por materia oscura. Además, se distribuye de manera más difusa y turbia que la materia ordinaria. Esto se confirma con lentes débiles y fuertes.
Fondo de microondas cósmico
Si observa el resplandor restante de la radiación del Big Bang, encontrará que es aproximadamente uniforme: 2.725 K en todas las direcciones. Pero si observa más de cerca, puede encontrar que se observan pequeños defectos en escalas de decenas a cientos de microkelvin. Nos dicen algunas cosas importantes, incluidas las densidades de energía de la materia ordinaria, la materia oscura y la energía oscura, pero lo más importante es que nos dicen cuán homogéneo era el universo cuando solo tenía el 0,003% de su edad actual. La respuesta es que la región más densa era solo un 0,01% más densa que la región menos densa. En otras palabras, la materia oscura comenzó en un estado homogéneo y se agrupó a medida que pasaba el tiempo.
Poniéndolo todo junto, llegamos a la conclusión de que la materia oscura debería comportarse como un líquido que llena el universo. Este fluido tiene una presión y viscosidad insignificantes, reacciona a la presión de la radiación, no choca con los fotones o la materia ordinaria, nació frío y no relativista y se acumula bajo la influencia de su propia gravedad a lo largo del tiempo. Determina la formación de estructuras en el Universo en las escalas más grandes. Es muy heterogéneo y la magnitud de su heterogeneidad aumenta con el tiempo.
Esto es lo que podemos decir al respecto a gran escala, en lo que respecta a las observaciones. A pequeña escala, solo podemos asumir, no del todo seguro, que la materia oscura está compuesta por partículas con propiedades que hacen que se comporte de esta forma a gran escala. La razón por la que asumimos esto es porque el universo, hasta donde sabemos, está formado por partículas en su núcleo, eso es todo. Si eres una sustancia, si tienes una masa, un análogo cuántico, entonces inevitablemente debes constar de partículas en un cierto nivel. Pero hasta que no hayamos encontrado esta partícula, no tenemos derecho a excluir otras posibilidades: por ejemplo, que sea algún tipo de campo líquido que no esté formado por partículas, pero que afecte al espacio-tiempo en la forma en que deberían hacerlo las partículas.
Por eso es tan importante intentar detectar directamente la materia oscura. Es imposible confirmar o negar el componente fundamental de la materia oscura en teoría, solo en la práctica, respaldado por observaciones. Aparentemente, la materia oscura no tiene nada que ver con la energía oscura.
¿Está hecho de partículas? Hasta que los encontremos, solo podemos adivinar. El universo se manifiesta como de naturaleza cuántica cuando se trata de cualquier otra forma de materia, por lo que es razonable suponer que la materia oscura sería la misma.
Ilya Khel
