Pregúntele a Ethan No. 66: ¿Hemos encontrado materia oscura?
De ninguna manera Lo que encontramos, aunque sea un misterio, pero ciertamente no es la masa perdida de nuestro universo.
El tiempo absorbe todo en sí mismo, lleva el pasado más lejos, y finalmente solo queda la oscuridad. Oscuridad
- Stephen King
Pero todavía no tenemos el final de los tiempos, sino el final de la semana. Es hora de responder la siguiente pregunta en la columna "Pregúntele a Ethan", donde, eligiendo entre muy buenas preguntas, elegí una pregunta de Joe Lathon, quien pregunta sobre noticias recientes:leí muchos titulares en publicaciones físicas, como "Los investigadores han descubierto una posible señal de la materia oscura" . ¿Podría, con su expresividad inherente, explicar los antecedentes del problema y la esencia de estas noticias?¡Démosle a Joe lo que necesita!
En primer lugar, está el problema de la materia oscura. Al estudiar un cúmulo galáctico, por ejemplo, como el cúmulo Veronica Hair en la foto de arriba, podemos aplicar dos métodos para medir su materia:- Observe todo el espectro de señales electromagnéticas que emanan de él, incluidas no solo las estrellas que emiten luz, sino también la luz emitida y absorbida en otras partes del espectro. Esto nos dará información sobre la cantidad de gas, polvo, plasma, estrellas de neutrones, agujeros negros, enanos e incluso planetas en su interior.
- Rastree el movimiento de los objetos en un cúmulo, en este caso, galaxias individuales, y use el conocimiento de las leyes de la gravedad para calcular su masa total.
Al comparar los valores obtenidos, veremos si pertenece a toda la masa de materia normal o si debería haber algo más que no esté formado por protones, neutrones y electrones.
Lo mismo se puede hacer para galaxias individuales. Simplemente observe todos los diferentes componentes de la galaxia en todas las longitudes de onda. Y para las galaxias, y para los cúmulos, encontramos una cierta masa en forma de estrellas, luego aproximadamente 5-8 veces una gran masa en forma de gas neutro, muy poca en forma de plasma (aunque está llena en el espacio intergaláctico) y una pequeña fracción en forma de otras tipos de masa combinados. En promedio, además de la masa total de todas las estrellas, hay aproximadamente ocho veces la masa de otros componentes que consisten en materia normal.Pero, sacando la masa total de la gravedad, encontramos algo inesperado. Para justificar todos los efectos gravitacionales observados, como las velocidades de rotación de las galaxias a diferentes distancias en espirales separadas, y las velocidades de las galaxias individuales en relación con el centro del cúmulo, necesitamos una masa que no sea ocho veces la masa total de estrellas, ¡sino cincuenta!
Tal diferencia, así como el hecho de que necesitamos alrededor de cinco veces más materia en masa que la materia normal en el Universo que se encuentra hoy, se llama el problema de la materia oscura. Una gran cantidad de observaciones, que incluyen mediciones de distancias y desplazamientos al rojo de velas astronómicas estándar, observaciones a gran escala de grandes estructuras en el Universo, observaciones de colisiones de cúmulos galácticos y mediciones precisas de radiación de fondo cósmico de microondas (resplandor del Big Bang), muestran que el problema no está en la teoría de la gravedad , y en la existencia de un nuevo tipo de materia, que en el Universo es cinco veces más que la atómica ordinaria.Y esta nueva forma de materia, la materia oscura, entre otras cosas, no interactúa con la materia y la radiación a través de fuerzas electromagnéticas.
También se ha establecido que, sea lo que sea esta materia oscura, estas no son partículas ordinarias del Modelo Estándar. Estos no son quarks, no bosones, ni siquiera neutrinos. Sea lo que sea, debe ser un nuevo tipo de partícula que aún no se ha descubierto.Sobre la base de las propiedades gravitacionales que deberían tener esas partículas, deberían recogerse en halo gigante, tanto alrededor de galaxias como en racimos, en esferoides gigantes enrarecidos.
En la mayoría de los modelos de materia oscura, se supone que sus partículas deberían ser sus propias antipartículas. Por lo tanto, donde la densidad de la materia oscura es máxima (en los centros de galaxias y cúmulos), existe la posibilidad de su aniquilación. Y en este caso, dos partículas aniquiladoras emitirán dos fotones, cuya energía (para ahorrar energía y momento) corresponderá a la masa en reposo de la partícula.
Suena genial, ¿verdad? Solo necesitamos enviar telescopios con detectores de alta energía, nuestros observatorios de rayos X y rayos gamma, a los centros de galaxias y cúmulos, y buscar señales de esta aniquilación. Esto significa buscar líneas espectrales de energía que no corresponden a partículas conocidas.Tonterías, ¿verdad?
No, espera un minuto. ¡El problema es que en el Universo hay muchos fenómenos diferentes de alta energía que no entendemos aquí en la Tierra! Por qué Porque no podemos recrear todos esos fenómenos extraños que ocurren en el espacio, y no sabemos cuál es la causa de muchos (o incluso la mayoría) de los antecedentes de radiación de rayos gamma y rayos X observados por nosotros.En otras palabras, hay muchas fuentes de rayos X y rayos gamma, conocidos, pero no conocidos por nosotros.Según Joe, este año se descubrió una nueva línea de rayos X , una fuente del orden de 3,5 keV, en el núcleo de la galaxia de Andrómeda y en el núcleo del cúmulo de Perseo.
¿Es su causa algo ordinario, como partículas acelerando alrededor de un agujero negro supermasivo?¿O es la razón de esto una nueva partícula, el mismo neutrino estéril, por ejemplo, responsable de la materia oscura, aniquilando y, como resultado, mostrando su masa en reposo equivalente a (a través de E = mc 2 ) 3.5 keV? (O el doble, 7 keV si es una partícula en descomposición).
La noticia quiere que creas que la segunda opción es posible, porque sería genial si resultara ser materia oscura. Pero esta señal no solo aún no se ha confirmado (la importancia de la detección es 4σ incluso para un conjunto de datos combinados, cuando el estándar para los descubrimientos es 5σ), ¡todavía no puede ser responsable de la materia oscura en el Universo!Por qué Eche un vistazo a la imagen de las regiones densas y enrarecidas de nuestro universo 380,000 años después del Big Bang: radiación cósmica de fondo de microondas.
Es fácil imaginar que en ese momento el Universo era más denso y más joven, pero es fácil olvidar que también era más caliente. Esto significa no solo que la radiación estaba caliente, sino también que su materia se movía a velocidades mucho más altas. Y esto se aplica no solo a la materia normal, como los átomos, sino también a la materia oscura.¿Por qué es esto importante? Debido a que para dispersarse en grumos y mantener la estructura debido al colapso gravitacional, la materia debe moverse lo suficientemente lento, o no ocurrirá el colapso. ¡Y si la materia oscura es demasiado clara, la estructura no se formará lo suficientemente temprano como para cumplir con las observaciones!
¿Qué podemos usar como limitación? Las mejores mediciones provienen de un fenómeno llamado bosque Lyman-alpha, que sirve como una medida de la edad de los pozos gravitacionales de nubes de gas que están débilmente unidas gravitacionalmente. Por supuesto, los objetos más densos se convertirán en estrellas, galaxias y cuásares, pero las nubes de gas intervendrán en el proceso y absorberán parte de la luz a frecuencias características.
Estudiando la profundidad de las "líneas forestales", especialmente al principio, podemos imponer restricciones sobre el peso de la materia oscura. E incluso en las circunstancias más libres, puede ver que las líneas de absorción son increíblemente fuertes, corresponden al hecho de que la materia oscura es muy fría, lo que significa que su masa está limitada desde abajo.
¿Y cuál es el significado? Ahora debería ser más pesado que 10 keV, a juzgar por la fuerza de las líneas de absorción observadas. En otras palabras, es 3 veces más pesado (o 50% más pesado en el caso de una partícula en descomposición) que, supuestamente, "señal de materia oscura".No me malinterpreten, el descubrimiento de una línea potencialmente nueva de radiación de rayos X es muy interesante y puede abrirnos una nueva astrofísica o, potencialmente (aunque poco probable), un nuevo tipo de partícula. Pero incluso si resulta ser una nueva partícula, no pertenecerá a la materia oscura, ya que esto violaría toda la estructura del Universo (especialmente en pequeñas escalas), y nuestras observaciones de estas estructuras excluyen tal escenario.
Entonces, ¿qué es interesante, pero no puede ser materia oscura? De ninguna manera, solo si arruinamos algo terriblemente en muchos lugares.Gracias por la maravillosa pregunta, y espero que la explicación haya sido clara para usted y el resto. Envíame tus preguntas y sugerencias para los siguientes artículos.Source: https://habr.com/ru/post/es395571/
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