¿Tienes sed y tiempo para el conocimiento de uno de los mayores misterios del universo?Luego diríjase a ArsTechnica y vea la nueva serie que están lanzando.borde del conocimiento, Actor principalDr.Paul Sutter.En esta película que promete ser un viaje esclarecedor, el Dr. Sutter guiará a los espectadores a través de una miniserie de ocho partes que explora los agujeros negros, el futuro del cambio climático, los orígenes de la vida y (para su estreno) los misterios del universo. . Episodio) ¡Materia oscura!
Cuando se trata de astrofísicos y cosmología, ¡la materia oscura es uno de los misterios más antiguos, frustrantes y confusos!Entonces debería preguntarse por qué los científicos están trabajando tan incansablemente para rastrearlo.La respuesta corta es: La teoría del universo más ampliamente aceptada no tiene sentido sin ella.La respuesta larga es… ¡Complejo y largo!Afortunadamente, la Dra. Sutter puede resumirlo todo en 15 minutos o menos.Como físico brillante, explica por qué es tan importante para nosotros rastrear la materia oscura.
En pocas palabras, la materia oscura está más allá de los límites del conocimiento científico, por lo que es el lugar perfecto para comenzar una serie sobre “los límites del conocimiento”.Gracias a la teoría general de la relatividad de Einstein, los científicos pueden calcular cómo se comportan los objetos masivos en las escalas cósmicas más grandes.Sin embargo, durante las décadas de 1950 y 1960 (“la edad de oro de la relatividad”), los astrofísicos descubrieron que el comportamiento gravitacional que observaban no coincidía con la cantidad de materia “luminiscente” (también conocida como visible).
¿Cómo sé si existe?
¡Esta parte de la explicación del Dr. Sutter no es una exageración!Al igual que Galileo y Einstein antes que él, muestra cómo los científicos estudian la materia oscura usando la simple metáfora de un hombre parado en un bote en el mar.“[Estoy] en medio de la noche y veo luces en la otra orilla”, dice.“Ahora las luces dicen que la costa existe, pero no dice nada al respecto.Puede haber montañas o selvas de las que no eres consciente.Esta es la situación de la materia oscura”.
La prueba está a nuestro alrededor.Como dijo el Dr. Sutter descaradamente: “Quiero decir, ¡escribí un libro al respecto!”Enumera líneas de evidencia de las copias que accidentalmente tuvo en sus manos.“Hay una curva de rotación en la galaxia.Está la temperatura del cúmulo de galaxias.Existe un fenómeno en el que la luz se desvía alrededor de enormes estructuras.Hay una estructura a gran escala del universo mismo.Hay un fondo cósmico de microondas.Sigue y sigue y sigue y sigue”.
Fresco, sin choques, abundante
Pero, ¿qué sabemos realmente al respecto?Bueno, antes que nada, sabemos lo que es. Esto permitió a los astrofísicos teóricos imponer restricciones sobre lo que podría ser.Como explica el Dr. Sutter, por lo que hemos aprendido sobre la materia oscura (DM), la materia oscura (DM) obedece a tres parámetros: frío, sin colisiones y abundante.Esto forma la base del modelo más ampliamente aceptado del universo.Materia Oscura Fría Lamba(LCDM) modelo.Dr Sutton dijo:
“Sea lo que sea la materia oscura, debe ser fría, libre de colisiones y abundante.Queremos saber de qué está hecha la materia oscura porque puede ayudarnos a comprender la dinámica de las galaxias y la evolución del universo.Ah, por cierto, es, con mucho, la partícula más común del universo.Así que sería bueno saber de qué está hecho realmente”.
Este es uno de los aspectos más destacados del episodio. El Dr. Sutton ofrece un resumen perspicaz y directo de los fundamentos teóricos y experimentales de la DM (con la ayuda de una pizarra).En el primer caso, explica cómo las velocidades de rotación de las galaxias (como resultado de su distribución de masa) no pueden explicar lo que vemos solo con la materia luminiscente.También existe la existencia de un “halo de materia oscura” que parecen tener todas las galaxias del universo.
“Esta densidad de escala y el radio de escala son números diferentes para cada halo, pero de todos modos todos comparten esta forma común y la densidad de forma en función del radio comienza así y disminuye”. dicho.“Y el radio de la escala te dice dónde está este umbral.Cuenta datos interesantes sobre la evolución del halo de materia oscura”.
En esencia, estos Halos sugieren que la morfología de DM es una estructura similar a una bola densa y centralizada que acumula más partículas de DM con el tiempo, dice el Dr. Sutter.La formación de estos halos está intrínsecamente relacionada con la formación y evolución de las galaxias y la estructura a gran escala del universo.Esta es una de las muchas razones por las que los científicos están tan entusiasmados con esta investigación.james webb,nancy gracia romano,Euclides, y otras misiones para observar cómo evolucionó el universo desde cero. ¡Esta será tu oportunidad de ver este proceso en acción!
partícula candidata
Con respecto a detectar de qué está hecho un DM, el Dr. Sutter brinda una descripción general con la ayuda de un acuario, muchas bolas de plástico (6:50 en video) y un experto invitado.Como dijo, “Cada teórico que tiene tiempo para matar presenta su propia teoría favorita sobre cómo podría funcionar la materia oscura, y tenemos muchos candidatos”.Los ejemplos incluyen WIMP, materia oscura que interactúa consigo misma, axiones y partículas similares a axiones.Tenemos agujeros negros primordiales y neutrinos estériles.
“Pero lo que es realmente importante es que todas estas ideas diferentes, todas estas teorías diferentes, predicen cómo se comportará la materia oscura en nuestro universo”, dijo el Dr. Sutter.”Entonces podemos salir y detectarlo y observarlo y de alguna manera vislumbrar la materia oscura y probar que una de estas hipótesis es correcta”.Los esfuerzos existentes para detectar partículas candidatas a DM incluyen los siguientes detectores de neutrinos:Observatorio de cubos de hieloEn la Antártidasnollabinstalaciones en ontarioPlataforma de observación Super KamiokandeEn Japón (en la foto de arriba).
Estas instalaciones suelen estar ubicadas bajo tierra y funcionan en completa oscuridad para evitar la interferencia de fondo de las fuentes EM.De esta forma, el detector es capaz de detectar la liberación de energía más pequeña que puede resultar de una interacción entre partículas candidatas a DM o una interacción con una sustancia normal con una probabilidad de uno en un millón.Para justificar este aspecto de la DM, el Dr. Sutter le pregunta a un famoso cosmólogo teórico.Profesor Janna Levin– Claire Tow Profesora de Física y AstronomíaColegio Bernard de la Universidad de Columbia– Para explicar más.
Un punto importante enfatizado por el profesor Levin es que la DM existe y se ha observado, pero toma varias formas (la mayoría de las cuales no se explican).
“[Los neutrinos] son un ejemplo absolutamente innegable y verificable de materia oscura.No interactúan con la luz.Tienen todas las propiedades de la materia oscura, pero no son lo suficientemente pesados o ricos como para explicar el dominio extremo del pastel de energía.Entonces, si consideras el pastel de energía del universo, la materia oscura representa alrededor del 25%. Hablemos a grandes rasgos.
“Entonces, la pregunta es, ¿hay neutrinos realmente, realmente pesados?Y eso es básicamente lo que mucha gente está buscando.Están buscando WIMP que sean mucho más pesados que los neutrinos y no se ajusten a nuestra comprensión estándar de la física de partículas”.
Otro punto importante que menciona es que hay muchas preguntas sin respuesta con respecto a la participación de DM en la evolución del universo.Va más allá de la evolución de las galaxias e incluye preguntas sobre la “formación de armas” y la asimetría entre materia y antimateria.Estos representan el nacimiento de la materia (normal) de partículas pesadas en el universo y la materia debe haber superado a la antimateria en el universo primitivo (respectivamente).
“Sabemos que, por alguna razón, la materia tiene prioridad sobre la antimateria”, dijo Levin.“Así que hay un exceso muy pequeño.¿Debería la materia oscura jugar un papel?Tal vez esperamos hacerlo por la economía de la explicación, pero en realidad no lo sabemos.Entonces, si buscamos materia oscura, hay esperanza de que sea como, ‘Vaya, eso explica la variogénesis y ¿dónde encaja en los esquemas más grandes?'”.
Sí, es un problema grande, sofocante y complicado.Pero una vez que el Dr. Sutter y el profesor Levin han analizado todos los detalles relevantes, queda claro por qué la DM y su búsqueda son tan importantes en la ciencia moderna.El Dr. Sutter lo resume de esta manera: “La materia oscura es más que una hipótesis.Es un marco para comprender vastos fenómenos en todo el universo, pero es como una casa sin terminar.Tenemos una fundación.Todavía no podemos vivir de eso.Es por eso que la materia oscura está al borde del conocimiento”.
¡Estén atentos a futuros episodios que probablemente abordarán problemas igualmente importantes y complejos!
Además de ser profesor investigadorLaboratorio de ciencia computacional avanzada(SIAC)Universidad de Stony Brooke investigador visitanteinstituto de plancha, Dr. ¡Sutter también es un autor distinguido y colaborador habitual de Universe Today!Si tienes tiempo después del video, su extensocatálogo de artículos, especialmente su serie más reciente, que explica todos los términos complejos de la astronomía:Terminología astronómica 101.
Otras lecturas:Ars Technica