¿Qué es la materia oscura?

cabeza de materia oscura

La física es única en el mundo científico, ya que su dependencia de las matemáticas significa que puede llegar a un amplio consenso sobre asuntos con muy poca evidencia disponible. En las ciencias de la Tierra, una verdadera montaña de evidencia no puede enterrar completamente el tema del calentamiento global, e incluso con la gran mayoría de los científicos ahora convencidos, una minoría vocal todavía disiente. Sin embargo, en el caso de la física y la materia oscura, una sustancia definida como virtualmente inmune a la observación, no quedan en pie negacionistas significativos de la materia oscura. Entonces, ¿qué es la materia oscura y cómo ha llegado la física a un acuerdo tan poderoso sobre la idea de que constituye la gran mayoría de la materia en el universo?

La materia, el tipo regular que forma la atmósfera, el Sol, Plutón y Donald Trump, interactúa con el universo de varias formas. Absorbe, y en muchos casos emite, radiación electromagnética en forma de rayos gamma, luz visible, infrarrojos y más. Puede generar campos magnéticos de diversos tipos y potencias. Y la materia tiene masa, creando la fuerza de la gravedad, cuyos efectos se pueden observar fácilmente. Todas estas cosas hacen que sea conveniente estudiar la materia, en particular sus interacciones con la luz. Incluso un agujero negro, que no emite luz, bloques la luz absorbiéndola, pero ¿qué pasa si la luz que proviene de detrás de un agujero negro simplemente pasa directamente a través de las lentes de nuestro telescopio? Como nosotros nunca han probado la existencia de un agujero negro, en ese caso?



En 2009, Cryogenic Dark Matter Search publicó pruebas de observación directa de materia oscura, pero los resultados no son definitivos.

La búsqueda criogénica de materia oscura.



Esa es la situación que enfrentan los físicos con la materia oscura. La materia oscura no parece interactuar con el campo electromagnético universal en lo más mínimo, es decir, no absorbe ni emite luz de ningún tipo. De hecho, la materia oscura parece interactuar solo con el universo, ya que podemos observarlo a través de una única fuerza física: la gravedad. Entonces, en el caso de nuestro agujero negro invisible, podríamos haberlo notado al ver cómo era la luz que nos llegaba desde cierta sección del cielo. son en relación con nuestras expectativas, se desvió ligeramente de su curso al pasar cerca de un objeto que dobla la superficie del espacio-tiempo que atraviesa. Sumando suficientes observaciones de flexión de la luz, los científicos probablemente podrían averiguar la posición e incluso la masa de la singularidad invisible.

Sin embargo, la materia oscura es más difícil de estudiar que incluso ese , porque no viene convenientemente agrupado en bolas superdensas como estrellas y agujeros negros, eso sería demasiado fácil. En cambio, la teoría primaria de la materia oscura dice que está hecha de partículas hipotéticas llamadas partículas masivas de interacción débil (WIMP), que se entienden tan bien como lo implica su nombre general. Los WIMP ni siquiera parecen interactuar con El uno al otro a través de algo más que la gravedad, lo que significa que la materia oscura no se fusiona para formar moléculas más grandes o más complejas, y permanece en un estado similar a un gas simple y altamente difuso.



Por lo tanto, el impacto gravitacional de la materia oscura está extremadamente extendido y, resulta que solo se puede observar cuando observamos la distribución a gran escala de la materia visible en el universo, cosas como los supercúmulos galácticos y los supervíos correspondientes. Se teoriza que después del Bing Bang, las propiedades de la materia oscura la habrían llevado a asentarse mucho más rápidamente que la materia normal, pasando de una nube de gas totalmente uniforme a una red algo agrupada de nubes más pequeñas y zarcillos de conexión. Estos zarcillos pueden extenderse a través del universo ; Se cree que la distribución de la materia oscura poco después del Big Bang se dirigió a dónde finalmente se acumuló la materia regular y, por lo tanto, dónde y cómo se formaron las galaxias.

Una simulación de la distribución de la materia oscura, realizada y renderizada por una supercomputadora.

Una simulación de la distribución de la materia oscura, realizada y renderizada por una supercomputadora.

Entonces, no solo es invisible, sino que los efectos del potencial gravitacional de la materia oscura son tan grandes físicamente que son difíciles de medir. La luz de una sola estrella no se desviará de forma mensurable por la materia oscura al llegar a nosotros, como sucedió al pasar por nuestro agujero negro invisible; esa luz muy bien podría haberse originado, atravesado y llegado, todo al alcance de un único superhilo universal de materia oscura invisible. Entonces, ¿cómo se les ocurrió a los físicos la idea de la materia oscura en primer lugar?



La respuesta es que la gravedad afecta a todo, a todas las escalas, según las mismas fórmulas básicas. Entonces, los científicos comenzaron a notar que a medida que miraban el universo a mayor escala y mayor escala, estas fórmulas de gravedad entregaban predicciones cada vez más erróneas. Ya en la década de 1930, Fitz Zwicky descubrió que las galaxias en el cúmulo de Coma se movían como si estuvieran sujetas a mucha más fuerza gravitacional de la que podría explicarse mediante una simple explicación de la materia normal que pudimos ver. Décadas más tarde, Vera Rubin notó que las estrellas en las galaxias espirales giran alrededor del centro galáctico mucho más rápido de lo que deberían, lo que lleva a estudios posteriores que muestran que las galaxias espirales deben estar formadas por aproximadamente seis veces más masa oscura que las normales.

Un mapa de la radiación de fondo de microondas cósmica universal.

Un mapa de la radiación de fondo de microondas cósmica universal.

Pero la evidencia realmente convincente no se produjo hasta el advenimiento de técnicas como la lente gravitacional débil y la capacidad de leer la radiación de fondo de microondas cósmico (CMB). La lente gravitacional permite una super, super, súper versión a gran escala de ver la luz doblarse alrededor de nuestro agujero negro invisible. Resuelve el problema de la escala con… más escala, observando cómo la luz recolectada de miles de millones de estrellas agrupadas se dobla a medida que viaja a través de grandes fracciones del diámetro del universo conocido. Y una serie de mapas CMB cada vez más precisos realizados entre las décadas de 1960 y 2000 confirmaron discrepancias similares en el movimiento de masa al principio de la historia del universo.

Se ha intentado la observación directa de WIMP, pero nunca se ha confirmado. En 2009, Cryogenic Dark Matter Search publicó pruebas de observación directa de materia oscura, pero los resultados no son definitivos. Todo lo que dice la evidencia en este momento es que tiene que existir algo muy parecido a la concepción moderna de la materia oscura.

Los cálculos de exactamente cuánto de este algo sería necesario para crear las discrepancias observadas han producido algunas… cifras impresionantes. Según estimaciones modernas, el universo es solo un 5% de materia y energía regulares, y aproximadamente un 27% de materia oscura, o más de cinco veces más. Se cree que el 68% restante del universo es oscuro energía - un tema para otro día. El punto es que nuestro universo no solo ha sido ajustado por el impacto de la materia oscura, ha sido definido por ese impacto. La Vía Láctea es qué y dónde está la Vía Láctea, debido a la influencia gravitacional temprana de la materia oscura.

ATLAS es definitivamente el más visualmente imponente de los experimentos del LHC.

Un LHC actualizado es nuestra mejor opción para comprender la materia oscura.

Por supuesto, las cosas se están volviendo un poco más complejas que las descritas anteriormente. Hace apenas unos meses, un equipo anunció que Es posible que se haya observado que la materia oscura interactúa consigo misma de alguna manera durante un enorme evento de colisión de múltiples galaxias. Esto podría implicar un tipo de física oscura mucho más rica, ¡tal vez incluso hasta el punto de crear algún tipo de química oscura! Algunos físicos usan la frase 'mundo oscuro', o incluso 'sector oscuro', para describir este universo extraterrestre a gran escala que parece existir casi en paralelo al nuestro.

El candidato más probable para obtener más información sobre la materia oscura es el Gran Colisionador de Hadrones, que reabierto recientemente después de importantes actualizaciones de energía. Con energías experimentales que ahora superan los 13 tera-electronvoltios (TeV), el nuevo y mejorado LHC podría ser capaz de aplastar las partículas con la suficiente violencia para proporcionar una visión real de los WIMP, o tal vez incluso refutar su existencia. Encontrar materia oscura fue una de las principales motivaciones para las actualizaciones; es un área importante de estudio en física, ya que los astrónomos continúan produciendo evidencia de que nuestro mundo es solo una fracción de la creación.

Consulte nuestra serie 2007es.com Explains para obtener una cobertura más detallada.

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