Los astrónomos descubren un nuevo vínculo entre la materia oscura y la masa del universo

Los astrónomos descubren un nuevo vínculo entre la materia oscura y la masa del universo

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Un mapa de galaxias en el universo local visto por el Sloan Digital Sky Survey que los investigadores usaron para probar la teoría del axión. Cada punto es la ubicación de una galaxia y la Tierra está en el centro del mapa. Crédito: Encuesta Sloan Digital Sky

En un estudio publicado hoy en el Revista de cosmología y física de astropartículas, Investigadores de la Universidad de Toronto revelan un avance teórico que podría explicar tanto la naturaleza de la materia oscura invisible como la estructura a gran escala del universo conocida como la red cósmica. El resultado establece un nuevo vínculo entre estos dos problemas de larga data en astronomía, abriendo nuevas posibilidades para comprender el cosmos.

La investigación sugiere que el ‘problema de agregación’, centrado en la distribución inesperadamente uniforme de la materia a gran escala en todo el cosmos, podría ser una señal de que la materia oscura está formada por hipotéticas partículas ultraligeras llamadas axiones. Las implicaciones de demostrar la existencia de axiones difíciles de detectar van más allá de la comprensión de la materia oscura y podrían abordar cuestiones fundamentales sobre la naturaleza del universo mismo.

«Si se confirma con futuras observaciones de telescopios y experimentos de laboratorio, encontrar materia oscura axion sería uno de los descubrimientos más importantes de este siglo», dice el autor principal Keir Rogers, miembro de Dunlap en el Instituto Dunlap de Astronomía y Astrofísica de la Facultad de Artes. y Ciencias de la Universidad de Toronto.

«Al mismo tiempo, nuestros resultados sugieren una explicación de por qué el universo es menos grumoso de lo que pensábamos, una observación que se ha vuelto cada vez más clara durante la última década y actualmente deja incierta nuestra teoría del universo».

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La materia oscura, que comprende el 85 por ciento de la masa del universo, es invisible porque no interactúa con la luz. Los científicos estudian sus efectos gravitatorios sobre la materia visible para comprender cómo se distribuye en el universo.

Una simulación por computadora de una sección del universo con y sin axiones que muestra cómo la estructura de la red de materia oscura cósmica es menos grumosa si contiene axiones. A escala, la Vía Láctea estaría dentro de uno de los pequeños puntos verdes llamados halos. Crédito: Alexander Spencer Londres/Alex Laguë.

Una teoría líder propone que la materia oscura está compuesta de axiones, descritos en la mecánica cuántica como «borrosos» debido a su comportamiento ondulatorio. A diferencia de las partículas puntuales discretas, los axiones pueden tener longitudes de onda más largas que las galaxias enteras. Esta borrosidad afecta la formación y distribución de la materia oscura, lo que podría explicar por qué el universo es menos grumoso de lo esperado en un universo libre de axiones.

Esta falta de agrupamiento se ha observado en estudios de galaxias grandes, lo que desafía la otra teoría predominante de que la materia oscura consiste solo en partículas subatómicas pesadas que interactúan débilmente llamadas WIMP. A pesar de experimentos como el Gran Colisionador de Hadrones, no se ha encontrado evidencia que respalde la existencia de WIMP.

“En la ciencia, es cuando las ideas se rompen cuando se hacen nuevos descubrimientos y se resuelven viejos problemas”, dice Rogers.

Para el estudio, el equipo de investigación, dirigido por Rogers e integrado por miembros del equipo de investigación de la profesora asociada Renée Hložek en el Instituto Dunlap, así como en la Universidad de Pensilvania, el Instituto de Estudios Avanzados, la Universidad de Columbia y el King’s College de Londres, analizó la observaciones de la luz reliquia del Big Bang, conocida como Fondo Cósmico de Microondas (CMB), obtenidas de los sondeos Planck 2018, Atacama Cosmology Telescope y South Pole Telescope.

Una simulación por computadora de una sección del universo con y sin axiones que muestra cómo la estructura de la red de materia oscura cósmica es menos grumosa si contiene axiones. A escala, la Vía Láctea estaría dentro de uno de los pequeños puntos verdes llamados halos. Crédito: Alexander Spencer Londres/Alex Laguë.

Los investigadores compararon estos datos de CMB con datos de agrupamiento de galaxias del Estudio Espectroscópico de Oscilación de Bariones (BOSS), que mapea las ubicaciones de alrededor de un millón de galaxias en el universo cercano. Al estudiar la distribución de las galaxias, que refleja el comportamiento de la materia oscura bajo las fuerzas gravitatorias, midieron las fluctuaciones en la cantidad de materia en todo el universo y confirmaron su baja masa en comparación con las predicciones.

Luego, los investigadores realizaron simulaciones por computadora para predecir la aparición de reliquias de luz y la distribución de galaxias en un universo con largas ondas de materia oscura. Estos cálculos se alinearon con los datos de Big Bang CMB y los datos de agrupamiento de galaxias, lo que respalda la idea de que los axiones borrosos podrían explicar el problema de agrupamiento.

Las investigaciones futuras incluirán estudios a gran escala para cartografiar millones de galaxias y proporcionar mediciones precisas de agregación, incluidas las observaciones durante la próxima década con el Observatorio Rubin.

Los investigadores esperan comparar su teoría con las observaciones directas de la materia oscura a través de lentes gravitacionales, un efecto en el que la acumulación de materia oscura se mide por cuánto desvía la luz de las galaxias distantes, lo que se asemeja a una lupa gigante. También planean estudiar cómo las galaxias expulsan gas al espacio y cómo esto afecta la distribución de la materia oscura para confirmar aún más sus hallazgos.

Al dar forma al universo, la gravedad construye una vasta estructura de filamentos similar a una red que une las galaxias y los cúmulos de galaxias a lo largo de puentes invisibles de cientos de millones de años luz de largo. Esto se conoce como la red cósmica. Crédito: Volker Springel (Instituto Max Planck de Astrofísica) et al.

Comprender la naturaleza de la materia oscura es una de las cuestiones fundamentales más apremiantes y la clave para comprender el origen y el futuro del universo.

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Actualmente, los científicos no tienen una sola teoría que explique simultáneamente la gravedad y la mecánica cuántica, una teoría del todo. La teoría más popular de todas en las últimas décadas es la teoría de cuerdas, que sitúa otro nivel por debajo del nivel cuántico, en el que todo se compone de excitaciones de energía similares a cuerdas. Según Rogers, la detección de una partícula de axión borrosa podría ser una pista de que la teoría de cuerdas de todo es correcta.

«Ahora tenemos las herramientas que podrían permitirnos comprender finalmente algo experimentalmente sobre el antiguo misterio de la materia oscura, incluso en la próxima década, y eso podría darnos pistas para responder a preguntas teóricas aún más importantes», dice Rogers. . «La esperanza es que los elementos desconcertantes del universo sean reparables».

Más información:
Axiones ultraligeros y voltaje S8: restricciones conjuntas del fondo cósmico de microondas y el agrupamiento de galaxias. Revista de cosmología y física de astropartículas (2023). DOI: 10.1088/1475-7516. iopscience.iop.org/article/10. … 475-7516/2023/06/023

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