Universo superfluido: materia oscura como condensado de Bose-Einstein

Los efectos cuánticos funcionan no solo a nivel subatómico: pueden extenderse por la galaxia y resolver el misterio de la materia oscura.

La mayor parte de la materia del Universo es invisible, consiste en una determinada sustancia que no deja rastros en el proceso de pasar a través de nosotros, y a través de todos los detectores construidos por científicos con el objetivo de atraparlo. Pero esta materia oscura ni siquiera puede consistir en nubes invisibles de partículas, como sugieren la mayoría de los teóricos. En cambio, puede resultar algo aún más extraño: un superfluido que se condensó en charcos hace miles de millones de años y generó las galaxias que estamos observando hoy.

Esta nueva suposición tiene consecuencias de largo alcance para la cosmología y la física. La materia oscura superfluida (STM) resuelve muchos problemas teóricos asociados con las nubes de partículas. Explica los intentos fallidos de estiramiento molestos y largos para determinar los componentes individuales de estas nubes. También ofrece un camino científico claro para futuras búsquedas y ofrece ciertas predicciones que pueden verificarse pronto.

STM también tiene importantes implicaciones conceptuales. De esta idea se deduce que el concepto generalmente aceptado del Universo como una masa de partículas individuales unidas por algunas fuerzas, como si fuera el diseñador de un niño, pierde toda la riqueza de la naturaleza. La mayor parte de la materia en el Universo puede ser completamente diferente de la materia de la que está compuesto su cuerpo: puede que no consista en átomos o incluso en partículas tales como solemos imaginar, sino que sea un todo coherente de enorme extensión.

"Durante muchos años, las personas han utilizado el modelo más simple para TM: partículas que no chocan con otras partículas y no emiten luz", dijo Justin Khoury, profesor de física teórica en la Universidad de Pennsylvania. "Pero en los últimos 20 años, las observaciones y las simulaciones por computadora han mejorado notablemente, y en una escala galáctica, este modelo tiene algunos problemas". Las partículas de TM no chocan consigo mismas, por lo tanto, no se ensamblan en estructuras compactas equivalentes a estrellas y planetas. Como TM, por definición, no emite luz, la evidencia de su existencia es su efecto gravitacional: el material invisible, a juzgar por todo, afecta la formación, rotación y movimiento de las galaxias. En las escalas más grandes, los HM libres de colisión suelen estar en buen acuerdo con las observaciones astronómicas.

En una escala más pequeña, este modelo popular y ampliamente utilizado predice que se debe recolectar más material en los centros galácticos de lo que los astrónomos pueden ver, esta característica se conoce como el "problema de la cúspide". Además, este modelo predice demasiadas galaxias satelitales para la Vía Láctea, y no puede explicar por qué los satélites que realmente tenemos están ubicados casi en el mismo plano. Y finalmente, TM sin colisiones no dice nada acerca de por qué el brillo de las galaxias espirales corresponde a su velocidad de rotación. Este modelo simple parece ser demasiado simple.

Una posible explicación de tales deficiencias puede ser que los físicos se perdieron un importante proceso astrofísico involucrado en la formación de la galaxia. Pero Koury no lo cree así. Desde su punto de vista, este problema habla de algo más profundo. El punto no es solo que el modelo frío de TM sin colisiones apenas corresponde a algunos datos, sino también que un modelo completamente diferente es mucho más consistente con las observaciones con las que el modelo estándar tiene problemas. En lugar de inventar partículas nuevas no descubiertas, otro modelo sugiere modificar la gravedad para que coincida con la TM. El comportamiento de la gravedad a distancias de miles y millones de años luz no se puede medir directamente. Los pequeños efectos que no se pueden detectar en la Tierra pueden desempeñar un papel bastante importante en la escala de una galaxia entera.

La modificación de la gravedad (MG) es sorprendentemente exitosa en algunos casos y experimenta problemas en otros. Por un lado, sorprendentemente corresponde a la rotación de las galaxias y explica de dónde proviene la dependencia del brillo y la velocidad de rotación. MG no permite que aparezca una variedad de parámetros de galaxia en galaxia que ocurre cuando se usan nubes de partículas; esta última puede ser completamente diferente. Por otro lado, el MG apenas puede hacer frente a observaciones de distancias mucho más grandes o más pequeñas que el tamaño de una galaxia típica. A estas escalas, el modelo de Cold TM funciona mejor.

Es notorio el hecho de que cambiar algo en la teoría de la gravedad de Einstein, sin romperlo por completo, es extremadamente difícil. Por lo tanto, la mayoría de los físicos eligen una alternativa más segura en forma de partículas. Para ellos, la aparición de nuevas partículas es un camino trillado para resolver problemas, y las matemáticas asociadas son un territorio familiar. Pero Koury no quiere unirse a ninguna de estas partes. Quiere tomar lo mejor de ambos, para adaptarse mejor al Universo real.

“Por lo general, las personas intentaban resolver problemas a escala galáctica modificando la gravedad; esa era la alternativa a TM ", dice Courie. - Y por alguna razón, tal vez de naturaleza social, estos dos enfoques se consideraron mutuamente excluyentes: usted está en el campamento MG o en el campamento TM, que está formado por partículas. ¿Pero por qué no combinarlos? Por supuesto, la navaja de Occam diría que sería menos convincente. Por lo tanto, el enfoque que hemos elegido es que ambos fenómenos, MG y TM, que consisten en partículas, pueden ser simplemente aspectos de la misma teoría ".

La evidencia de la existencia de TM se ha acumulado desde su descubrimiento por el astrónomo suizo Fritz Zwicky hace más de 80 años. En 1933, Zwicky usó el telescopio Hooker de 254 cm en el Observatorio Mount Wilson en California, dirigiéndolo hacia el Veronica Hair Cluster . Este es un enjambre de aproximadamente 1000 galaxias conectadas entre sí por atracción gravitacional. En dicho sistema conectado, las velocidades de sus componentes, en este caso, galaxias, dependen de la masa total ligada. Zwicky señaló que las galaxias se mueven mucho más rápido de lo que lo harían si solo considerara la masa aparente de materia, y sugirió que el cúmulo debería contener materia invisible. Lo llamó Dunkle Materie, o "materia oscura" en alemán.

Los físicos podrían descartar este caso como una extraña desviación. Pero resultó que esta observación es más la regla que la excepción cuando el astrónomo estadounidense Vera Rubin estudió la rotación de las galaxias espirales desde la década de 1960. La velocidad de las estrellas en órbitas alejadas del centro de la galaxia depende de la masa total (y, en consecuencia, de la atracción gravitacional) del sistema conectado, en este caso, de la masa de la galaxia. Las mediciones de Rubin mostraron que docenas de galaxias giraban más rápido de lo que cabría esperar de la materia visible. Desde que las observaciones de Rubin llevaron la TM a la luz de los reflectores, ha estado en la lista de los problemas no resueltos más populares de la física.

La tecnología del telescopio ha mejorado constantemente, y la evidencia a favor de la TM obtenida de las observaciones se ha ido acumulando y refinando gradualmente. Los físicos ahora pueden observar pequeñas distorsiones debido a la curvatura gravitacional del espacio-tiempo cerca de los cúmulos galácticos. Esta distorsión, conocida como lente gravitacional débil, distorsiona ligeramente la apariencia de objetos estelares más distantes; la luz que proviene de ellos se dobla alrededor del grupo, cuya atracción actúa como una lente. Por la fuerza de este efecto, el total puede calcular la masa del grupo y demostrar la presencia de HM. Usando este método, los físicos incluso han construido mapas de la distribución de TM. Comparándolos con otros métodos de prueba, determinaron que el 85% de la materia del Universo debería relacionarse con TM.

Usando aún más datos, los físicos también pudieron excluir la idea de que TM consiste en masas invisibles de átomos ordinarios, como los que componen la Tierra (técnicamente se les llama materia bariónica ). Esto, la materia normal, interactúa demasiado consigo mismo; no daría la distribución observada de TM. TM tampoco puede consistir en estrellas colapsando en agujeros negros u otros objetos astronómicos tenues. Si esto fuera así, estos objetos tendrían que superar en número a las estrellas en nuestra galaxia, lo que conduciría a distorsiones gravitacionales significativas y fácilmente observables. Además, HM no puede consistir en otras partículas conocidas, como los neutrinos que interactúan débilmente, emitidos por estrellas en grandes cantidades. Los neutrinos no se unen lo suficientemente fuerte como para crear estructuras galácticas observables.

Resulta que para explicar en qué consiste la TM, los físicos tienen que construir teorías sobre partículas nuevas, aún no descubiertas. Muy a menudo, se usan en dos clases amplias: partículas masivas que interactúan débilmente ( WIMP ) y axiones mucho más ligeros, aunque tampoco faltan hipótesis más complejas que combinen diferentes tipos de partículas. Pero todos los intentos de detectar estas partículas directamente, y no solo derivan su presencia de la atracción gravitacional, hasta ahora no tienen éxito. En lugar de resolver el rompecabezas, los experimentos para detectarlos directamente solo lo profundizaron.

"Hoy es imposible estar interesado en la cosmología sin estar interesado en la materia oscura", dijo Stefano Liberati, profesor de física en la Escuela Internacional de Estudios Avanzados de Italia. Liberati y sus colegas trabajaron independientemente en una explicación de TM , muy similar a lo que da Kouri. Cuando Liberati descubrió por primera vez lo exitosos que son los MG a escala galáctica, donde los modelos TM fríos fallan, inmediatamente trató de encontrar una forma de combinar estos dos modelos. "Me hizo pensar: quizás TM está experimentando una transición de fase a pequeña escala", dice. - Tal vez se convierte en algún tipo de líquido, en particular, en un superfluido. Si forma condensación a escala galáctica, en realidad resolvería muchos problemas ".

Los líquidos superfluidos no existen en la vida cotidiana, pero los físicos los conocen. Son como superconductores, una clase de materiales en los que la electricidad se mueve sin resistencia. Cuando se enfría a una temperatura cercana al cero absoluto, el helio también comienza a fluir sin resistencia. Se filtra a través de los poros más pequeños, e incluso fluye fuera de las paletas, subiendo por las paredes. Tal comportamiento superfluido no es exclusivo del helio; Esta es la fase del estado de la materia en el que otras partículas pueden pasar a temperaturas suficientemente bajas. Esta clase de líquidos ultrafríos, predicha por primera vez en 1924 por Einstein y el físico indio Chatyatranath Bose , ahora se conoce como el condensado de Bose-Einstein . Liberati se dio cuenta de que TM también puede entrar en un estado superfluido.

Los condensados ​​de Bose-Einstein se estudian mejor en forma de una mezcla de dos componentes: líquido superfluido y ordinario. Estos dos componentes se comportan de manera diferente. El superfluido exhibe efectos cuánticos a grandes distancias, no tiene viscosidad y aparecen correlaciones inesperadas a grandes escalas; se comporta como si constara de partículas mucho más grandes de lo que realmente es. Otro componente normal se comporta como los fluidos habituales; se adhiere a los contenedores y a sí mismo, es decir, tiene viscosidad. La relación entre los dos componentes depende de la temperatura del condensado: cuanto mayor es la temperatura, mayor es la influencia del componente normal.

Estamos acostumbrados a pensar que la física cuántica prevalece solo en el campo microscópico. Pero cuanto más aprendieron los físicos sobre la teoría cuántica, más claro quedó que no era así. Los condensados ​​de Bose-Einstein se encuentran entre las sustancias mejor estudiadas que permiten que los efectos cuánticos se propaguen en un medio. En teoría, el comportamiento cuántico puede extenderse a distancias arbitrariamente grandes si sus perturbaciones son lo suficientemente débiles.

En un ambiente tan cálido y ruidoso como la Tierra, los efectos cuánticos frágiles se destruyen rápidamente. Por lo tanto, generalmente no encontramos aspectos tan extraños de la física cuántica como la capacidad de las partículas para comportarse como ondas. Pero si invoca el comportamiento cuántico en un lugar fresco y tranquilo, persistirá. En un lugar tan frío y tranquilo, como el espacio exterior. Sus efectos cuánticos son capaces de extenderse a grandes distancias.

Si el TM fuera un condensado de Bose-Einstein, uno en el que el efecto cuántico se extiende a toda la galaxia, este estado naturalmente explicaría dos modelos diferentes del comportamiento del TM. Dentro de las galaxias, la mayor parte de la TM estaría en la fase superfluida. Durante los cúmulos galácticos con una gran proporción de espacio intergaláctico, la mayoría de los TM estarían en la fase normal, lo que causaría un comportamiento diferente. Según Cowry y sus colegas, es posible explicar los efectos observados de la HM utilizando un modelo simple de condensado de Bose-Einstein con solo unos pocos parámetros abiertos (propiedades que deben tener los valores correctos para que el modelo funcione).

La idea de que TM puede ser un condensado de Bose-Einstein ha estado girando en la comunidad astrofísica, pero la nueva versión tiene sus propias diferencias. La nueva idea de Kouri es muy convincente porque dice que Superfluid TM puede imitar a MG: logra el objetivo combinando lo mejor de ambos modelos. Resulta que la gravedad no necesita ser modificada para obtener los resultados observados en las teorías de MG. El superfluido coherente puede conducir a la aparición de las mismas ecuaciones y el mismo comportamiento. Por lo tanto, el modelo Koury combina las ventajas de Cold TM y MG sin las desventajas de ambas teorías.

Superfluid TM puede superar el mayor de los problemas de MG: la aversión de la mayoría de los astrofísicos. Muchos de estos investigadores provienen de la física de partículas, y las ecuaciones de MG les parecen inusuales. Para un físico de partículas, estas ecuaciones parecen poco atractivas y antinaturales. Parecen adaptados al resultado. Pero superfluid TM ofrece un enfoque diferente, quizás más natural, de las ecuaciones.

Según Cowry, las ecuaciones para superfluido TM no pertenecen al campo de la física de partículas elementales. Aparecen a partir de la física de la materia condensada , donde describen no partículas fundamentales, sino un comportamiento de largo alcance que aparece sobre su base. En el modelo de Kouri, las ecuaciones que aparecen en la MG no describen partículas individuales. Describen el comportamiento conjunto de las partículas. Estas ecuaciones no son familiares para muchos expertos en física de partículas, por lo que la relación entre la superfluidez y la MG ha pasado desapercibida durante tanto tiempo. Pero, a diferencia de las ecuaciones MG, las ecuaciones que describen líquidos superfluidos ya tienen una base teórica sólida, solo en la física de la materia condensada.

Que Kouri haya notado esta conexión es una coincidencia impredecible. Se topó con literatura sobre física de la materia condensada, usando ecuaciones muy similares a las que vio en las teorías de MG: "Y todo lo demás simplemente encajó", dice. "Pensé que todo esto acaba de formar una hermosa imagen que combina estos dos fenómenos".

Volviendo a la evidencia observacional de la existencia de TM, el enfoque superfluido de Koury puede resolver muchos problemas de los modelos existentes. Para empezar, la superfluidez previene la acumulación excesiva de HM en los centros de las galaxias, eliminando el "nudo" ilusorio, ya que todas las fluctuaciones de densidad se igualan en la fase superfluida. "El superfluido tendrá una longitud coherente [la distancia a la que toda la materia está en el mismo estado]", dice Liberati. "De esto ya está claro que no habrá excesos".

La superfluidez produce un esquema de atracción idéntico a las ecuaciones de MG, por lo que puede ser responsable de la regularidad observada de las curvas de rotación de las galaxias. Sin embargo, a diferencia de MG, se comporta solo a aquellas temperaturas a las que predomina el componente superfluido. A escalas más grandes de cúmulos galácticos, HM resulta estar demasiado excitado (es decir, demasiado caliente) y perder propiedades superfluidas. De esta manera, el TM superfluido podría dar lugar a la formación de galaxias visibles y, al mismo tiempo, en una fase diferente de la superfluidez, correspondería a la estructura observada de los cúmulos.

El enfoque de Kouri explica por qué los astrónomos no observan evidencia de MG dentro del sistema solar. "El sol crea un campo gravitacional tan fuerte que destruye localmente la coherencia superfluida", dice. - Cerca del sistema solar, no refleje en términos de coherencia superfluida. El sol se comporta como una impureza. Como un agujero en un líquido.

Finalmente, el modelo superfluido explica por qué los físicos no pueden encontrar partículas TM. Desde la década de 1980, docenas de experimentos diferentes han estado buscando evidencia directa de la existencia de tales partículas.Estos experimentos generalmente usan grandes tanques blindados con diversos materiales, que en casos raros pueden interactuar con partículas TM y dar una señal observada. A pesar de la gran variedad de técnicas y materiales, el uso de detectores cuidadosamente aislados escondidos en minas subterráneas para filtrar señales falsas, no se encontró evidencia convincente de la existencia de TM.

En ausencia de detección, la idea de que TM puede ser algo más que otro tipo de partícula es cada vez más convincente. "Cuando era estudiante, me despertaba cada treinta noches después de dormir sobre la gravedad modificada", dice Nima Arkani-Hamed, profesora de física teórica en Princeton. "Luego sucedió una vez cada 300 noches, y ahora ocurre una vez cada 100. El tema vuelve".

Si HM es un líquido superfluido, entonces las partículas que lo componen deben ser ligeras, mucho más livianas que las partículas hipotéticas de HM que la mayoría de los experimentos están buscando. Los componentes de un superfluido son probablemente demasiado ligeros para ser detectables en los experimentos actuales.

Una predicción mejorada y única del modelo Cowry es que el comportamiento cuántico superfluido debería dejar una marca característica en las colisiones de galaxias. Cuando el condensado de TM de una galaxia colisiona con el condensado de otra, como resultado, deben aparecer patrones de interferencia, ondas en la distribución de la materia y la gravedad, que afectarán el comportamiento de las galaxias. Superfluid TM también hace predicciones sobre la fricción entre los componentes de TM en cúmulos de galaxias; tal fricción nuevamente dará un dibujo definitivo de atracción gravitacional. Las observaciones de lentes gravitacionales pueden detectar estos signos de la presencia de TM superfluido, si sabe exactamente qué buscar.

Para la estimación numérica de predicciones, son necesarias simulaciones por computadora. Koury ahora está trabajando en un proyecto de este tipo con investigadores de la Universidad de Oxford. Las simulaciones también deberían mostrar si el número esperado de galaxias satelitales es más consistente con la teoría de TM superfluido que con las predicciones de los modelos existentes.

Amanda Weltman, cosmóloga de la Universidad de Ciudad del Cabo que trabaja con TM, pero no participó en este estudio, cree que el nuevo modelo es "muy interesante y creativo". Pero ella dice que mantendrá sus estimaciones hasta que vea la confirmación experimental, alguna evidencia que claramente respalda la superfluidez: "Tales observaciones agregarán peso real a sus ideas". Si las simulaciones en supercomputadoras son exitosas, Koury puede proporcionar dicha evidencia. Y luego tenemos que acostumbrarnos a una visión aún más compleja del Universo, llena no solo de materia oscura, sino también de fluidos superfluidos sin fricción, girando alrededor de galaxias brillantes.

Arkani-Hamed es más escéptico y no está listo para separarse de la TM fría. "Pero si los débiles no se encuentran en el próximo conjunto de experimentos, no se encontrarán en los próximos 20 años", dice. Él cree que ha llegado el momento de echar un nuevo vistazo a los modelos construidos alrededor de partículas inusuales o teorías de la gravedad modificadas. O un modelo que combina lo mejor de dos mundos oscuros.