Con toda nuestra comprensión de las leyes de la física y el éxito del Modelo Estándar y la relatividad general, hay una serie de fenómenos observables en el Universo que no se pueden explicar. El universo está lleno de misterios, desde la formación de estrellas hasta los rayos cósmicos de alta energía. Aunque poco a poco vamos descubriendo el espacio para nosotros mismos, todavía no lo sabemos todo. Por ejemplo, sabemos que existe materia oscura, pero no sabemos cuáles son sus propiedades. ¿Significa esto que debemos atribuir todos los efectos desconocidos a las manifestaciones de la materia oscura?
Hay tantos misterios sobre la materia oscura como evidencias de su existencia. Pero culpar a la materia oscura de todas las misteriosas manifestaciones del espacio no solo es miope, sino también incorrecto. Esto es lo que sucede cuando los científicos se quedan sin buenas ideas.
Dos grandes galaxias brillantes en el centro del Cúmulo de Coma, cada una de más de un millón de años luz de tamaño. Las galaxias en las afueras indican la existencia de un gran halo de materia oscura en todo el cúmulo.
La materia oscura se encuentra en todas partes del Universo. Se consultó por primera vez en la década de 1930 para explicar el rápido movimiento de galaxias individuales en cúmulos de galaxias. Esto sucedió porque toda la materia ordinaria (materia formada por protones, neutrones y electrones) no es suficiente para explicar la cantidad total de gravedad. Esto incluye estrellas, planetas, gas, polvo, plasma interestelar e intergaláctico, agujeros negros y todo lo demás que podamos medir. Las líneas de evidencia que apoyan la materia oscura son numerosas y convincentes, como señaló el físico Ethan Siegel.
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Se necesita materia oscura para explicar:
- propiedades de rotación de galaxias individuales, - la formación de galaxias de diferentes tamaños, desde gigantes elípticas hasta - galaxias del tamaño de la Vía Láctea y pequeñas galaxias enanas cercanas a nosotros, Video promocional:
- interacciones entre pares de galaxias, - propiedades de cúmulos de galaxias y cúmulos de galaxias a gran escala, - la red espacial, incluida su estructura filiforme, - espectro de fluctuaciones del fondo cósmico de microondas, - los efectos observados de la lente gravitacional de masas distantes, - la separación observada entre los efectos de la gravedad y la presencia de materia ordinaria en las colisiones de cúmulos galácticos.
Y en una pequeña escala de galaxias individuales, y en una escala de todo el Universo, se necesita materia oscura.
Poniendo todo esto en el contexto del resto de la cosmología, creemos que cada galaxia, incluida la nuestra, contiene un halo masivo de materia oscura difusa que la rodea. A diferencia de las estrellas, el gas y el polvo de nuestra galaxia, que se encuentran principalmente en el disco, el halo de materia oscura debería ser esférico porque, a diferencia de la materia ordinaria (basada en átomos), la materia oscura no se "aplana" cuando se aprieta. … Además, la materia oscura debería ser más densa cerca del centro galáctico y extenderse diez veces más lejos que las estrellas de la propia galaxia. Finalmente, debe haber pequeños trozos de materia oscura en cada halo.
Para reproducir el conjunto completo de observaciones enumeradas anteriormente, así como otras, la materia oscura no debe tener propiedades distintas de las siguientes: debe tener masa; debe interactuar gravitacionalmente; debe moverse lentamente en relación con la velocidad de la luz; no debe interactuar fuertemente a través de otras fuerzas. Todos. Cualquier otra interacción es muy limitada, pero no excluida.
¿Por qué, entonces, cada vez que se hace una observación astrofísica con un exceso de una partícula ordinaria de cierto tipo (fotones, positrones, antiprotones) la gente habla en primer lugar de materia oscura?
A principios de esta semana, un equipo de científicos que estudia fuentes de rayos gamma alrededor de los púlsares publicó sus hallazgos en Science. En su trabajo, intentaron comprender mejor de dónde provenía el exceso de positrones que observamos. Los positrones, antípodas de los electrones, suelen nacer de varias formas: cuando las partículas ordinarias se aceleran a energías suficientemente altas, cuando chocan con otras partículas de materia y con la producción de pares electrón-positrón según la fórmula de Einstein E = mc2. Creamos tales pares en el curso de experimentos físicos y podemos observar la creación de un positrón astrofísicamente, tanto directamente, en la búsqueda de rayos cósmicos, como indirectamente, en la búsqueda de la firma energética de la aniquilación electrón-positrón.
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Estas firmas de positrones astrofísicos ocurren cerca del centro galáctico, apuntando a fuentes puntuales como microcuásares y púlsares ubicados en una región misteriosa de nuestra galaxia conocida como el Gran Aniquilador, y en una porción de un fondo difuso cuyo origen se desconoce. Una cosa es cierta: vemos más positrones de los que esperamos ver. Y esto se sabe desde hace mucho tiempo. PAMELA lo midió, Fermi lo midió, AMS a bordo de la ISS lo midió. Más recientemente, el observatorio HAWC midió rayos gamma de nivel TeV de energía extremadamente alta y mostró que son partículas altamente aceleradas que provienen de púlsares de nivel medio. Pero, lamentablemente, esto no es suficiente para explicar el exceso de positrones observado.
Por alguna razón, con cada medición del exceso de positrones, con cada observación de una fuente astrofísica que no la explica, la narrativa fluye hacia "no podemos explicarlo, así que la culpa es de la materia oscura". Esto es malo, porque hay muchas fuentes astrofísicas posibles que no requieren nada exótico, por ejemplo:
- producción secundaria de positrones y rayos gamma por otras partículas, - microcuásares u otra cosa que alimenta los agujeros negros, - púlsares, magnetares muy jóvenes o muy viejos, - restos de supernova.
Esta lista no es definitiva, pero proporciona varios ejemplos de lo que podría generar este excedente.
Muchas personas que trabajan en este campo optan por la materia oscura, porque sería un gran avance si la materia oscura destruyera y produjera rayos gamma y partículas de materia ordinaria. Este sería un escenario de ensueño para los astrofísicos cazadores de materia oscura. Pero las ilusiones nunca han llevado a grandes descubrimientos. Y aunque la materia oscura se presenta con mayor frecuencia como una explicación del excedente de positrones, no es más probable que los extraterrestres expliquen la estrella Tabby.
Al preguntarle a Brenda Dingus, investigadora principal de HAWC, Ethan Siegel recibió el siguiente comentario:
“Sin duda hay otras fuentes de positrones. Pero los positrones no se alejan mucho de sus fuentes y no hay muchas fuentes cercanas. Los dos mejores candidatos fueron descubiertos por HAWC y ahora sabemos la cantidad de positrones que producen. También sabemos cómo estos positrones se difunden de sus fuentes; más lento de lo esperado. Aunque hemos confirmado las fuentes de positrones cercanas, hemos descubierto que los positrones son muy lentos para alejarse de su lugar de origen y, por lo tanto, no crean un exceso de positrones en la Tierra. Al eliminar una posibilidad, aumentamos la probabilidad de otras posibilidades. Sin embargo, esto no significa que los positrones DEBEN provenir de la materia oscura. No lo decimos en serio.
Sorprendentemente, los positrones en los datos de HAWC representan solo el 1% de los positrones observados en otros experimentos, lo que apunta a otra cosa como culpable. Cuando se hace una observación que contradice nuestras ideas tradicionales, como con un excedente de positrones astrofísicos, no se debe descartar que pueda estar involucrada materia oscura. Pero es mucho más probable que otros procesos astrofísicos expliquen estos efectos. Cuando aparece un misterio en la ciencia, todos quieren una revolución, pero la mayoría de las veces obtienen algo ordinario.
Ilya Khel
