Pregúntele a Ethan: ¿puede la materia oscura no consistir en partículas?

Aunque la mayor parte de la materia oscura en la galaxia existe en un enorme halo que nos envuelve, cada partícula individual de TM se mueve en una órbita elíptica bajo la influencia de la gravedad. Si las partículas TM son antipartículas para sí mismas, y descubriremos cómo aprovecharlas, pueden convertirse en una fuente ideal de energía.

Todo lo que hemos encontrado en el Universo, desde la materia hasta la radiación, se puede descomponer en los componentes más pequeños. Todo en este mundo consiste en átomos, que están formados por núcleos y electrones, y los núcleos están formados por quarks y gluones. La luz también se compone de partículas: fotones. Incluso las ondas gravitacionales, en teoría, están formadas por gravitones: partículas que un día podemos obtener y registrar. ¿Qué pasa con la materia oscura? La evidencia indirecta de su existencia es innegable y abrumadora, pero ¿debe consistir necesariamente en partículas? Esto es lo que el lector nos pregunta:

Si la energía oscura se puede definir como la energía inherente a la estructura del espacio, ¿puede ser que lo que percibimos como "materia oscura" también sea una función integral del espacio, asociada de manera fuerte o débil con la energía oscura? Es decir, en lugar de que el TM esté formado por partículas, ¿puede penetrar en todo el espacio con efectos gravitacionales (homogéneos o no homogéneos), que pueden explicar nuestras observaciones, algo así como "masa oscura"?

Miremos la evidencia y veamos qué nos dicen sobre las posibilidades.


La expansión (o contracción) del espacio es una consecuencia necesaria de un universo que contiene masa. Pero la tasa de expansión y su cambio en el tiempo depende cuantitativamente de los contenidos del Universo.

Una de las propiedades más notables del Universo es la relación directa entre su contenido y el cambio en la tasa de expansión a lo largo del tiempo. A través de muchas mediciones cuidadosas de varias fuentes de información individuales: estrellas, galaxias, supernovas, CMB, estructuras a gran escala del Universo, pudimos medir ambas cantidades y determinar la composición del Universo. En principio, podríamos imaginar un conjunto completo de todo en lo que nuestro Universo podría consistir, pero todas estas cosas tendrían diferentes efectos en la expansión cósmica.


Varios componentes y contribuciones a la densidad de energía del Universo y el tiempo de su posible dominio. Si las cadenas cósmicas y los muros de dominio existieran en una cantidad tangible, harían una contribución significativa a la expansión del Universo.

Gracias a un conjunto completo de datos de hoy, sabemos en qué consiste el Universo:

• 68% - energía oscura, cuya densidad se retiene con la expansión del espacio;
• 27%: la materia oscura que ejerce un efecto gravitacional, con una densidad que disminuye al aumentar el volumen, no interactúa, hasta donde se puede juzgar por las mediciones, por otras interacciones;
• 4.9% - materia normal, experimentando todas las interacciones físicas, con una densidad que disminuye con un volumen creciente, aglomeración y que consiste en partículas;
• 0.1% - los neutrinos, están sujetos a interacciones nucleares gravitacionales y débiles, están compuestos de partículas, se unen solo si se ralentizan lo suficiente como para comportarse como la materia, y no como la radiación;
• 0.01% de fotones que experimentan interacciones gravitacionales y electromagnéticas, comportándose como radiación; A medida que aumenta el volumen, su densidad disminuye y la longitud de onda se estira.

Con el tiempo, la importancia de estos diversos componentes ha cambiado, y los porcentajes indicados representan el Universo de hoy.


El gráfico de la velocidad de expansión aparente (eje y) frente a la distancia (eje x) corresponde al Universo, que en el pasado se expandió más rápido, pero hoy se está expandiendo. Esta es una versión moderna del gráfico, que se extiende miles de veces más allá del trabajo principal de Hubble. Las diferentes curvas corresponden a diferentes composiciones posibles del universo.

Según nuestras mejores mediciones, la energía oscura tiene las mismas propiedades en diferentes regiones del Universo, en todas las direcciones del cielo y en todos los momentos de la historia cósmica. En otras palabras, la energía oscura parece homogénea e isotrópica: es la misma en todas partes y siempre. Hasta donde sabemos, la energía oscura no tiene que estar compuesta de partículas; Puede ser simplemente una propiedad inherente a la estructura del espacio.

Sin embargo, la materia oscura difiere fundamentalmente de ella.


En las escalas más grandes, el cúmulo de galaxias observado (azul y violeta) no puede reproducirse en simulaciones (rojo) sin el uso de materia oscura

Para la formación de las estructuras del Universo que observamos, especialmente en las escalas cósmicas más grandes, la materia oscura no solo debe existir, sino que también debe tener la capacidad de agruparse. No puede tener la misma densidad en todos los lugares del espacio; debe concentrarse en regiones de alta densidad y ser escasa o simplemente ausente en regiones de baja densidad. Podemos decir con precisión cuánto TM está contenido en diferentes regiones del espacio mediante la realización de diversas observaciones. Y aquí están las tres observaciones más importantes.


Los datos sobre grupos (puntos) a gran escala y las predicciones basadas en un universo que contiene 85% de materia oscura y 15% de materia normal (línea continua) son increíblemente precisos. La curvatura de la línea indica la temperatura de la TM; El grado de desviación caracteriza la proporción de materia oscura y ordinaria.

1) La densidad espectral de la materia : es necesario establecer la ubicación de la materia en el Universo, ver a qué escala es visible la correlación de las galaxias, una medida de la probabilidad de la presencia de galaxias a una cierta distancia de la seleccionada, y marcarlo todo. Si el Universo consistiera en materia homogénea, la estructura resultante sería borrosa. Si TM en el Universo no se agrupara al comienzo del desarrollo, la estructura a pequeña escala sería destruida. La densidad espectral de la materia nos dice que aproximadamente el 85% de la materia en el Universo pertenece a TM, que es completamente diferente de los protones, neutrones y electrones, y esta TM parecía fría o con poca energía cinética en comparación con su masa en reposo.


La distribución de masa en el cúmulo de galaxias que recreó Abell 370 a través de lentes gravitacionales demuestra dos halos de masa grandes y abiertos que corresponden a dos cúmulos de HM fusionados. Alrededor y a lo largo del volumen de cada galaxia, cada grupo y grupos masivos de materia, hay en promedio 5 veces más TM.

2) lentes de gravedad . Si observa un objeto masivo, como un cuásar, una galaxia o un cúmulo de galaxias, verá cómo su presencia distorsiona la luz de los objetos detrás de él. Como conocemos las leyes de la gravedad controladas por la relatividad general de Einstein, basadas en la curvatura de la luz, podemos calcular la cantidad de masa presente en cada objeto. Gracias a un conjunto completo de métodos diferentes, podemos determinar la cantidad de masa presente en la materia normal: estrellas, gas, polvo, agujeros negros, plasma, etc. Y nuevamente, encontramos que, en promedio, el 85% de la materia debería estar relacionada con HM, y además, HM se distribuye de una manera más difusa, en forma de nube, en contraste con la materia normal densa. Esto se confirma con lentes débiles y fuertes.


La estructura de las explosiones de radiación relicta varía según el contenido del Universo.

3) Radiación de reliquia . Si estudiamos el brillo residual de la radiación que queda del Big Bang, podemos encontrar que es aproximadamente uniforme: 2.725 K en todas las direcciones. Si profundiza en los detalles, quedará claro que tiene pequeñas imperfecciones del orden de decenas y cientos de micras en todas las escalas angulares. Estas fluctuaciones nos dicen muchas cosas importantes, incluida la relación de las densidades de materia normal, materia oscura y energía oscura, pero lo más importante que dicen es cuán uniforme era el Universo a la edad de 0.003% de la corriente, y luego sus secciones más densas eran solo 0.01% más denso que el menos denso. En otras palabras, la materia oscura comenzó completamente uniforme, ¡y finalmente se acumuló!


Un estudio detallado del Universo sugiere que consiste en materia, pero no en antimateria; que la materia oscura y la energía oscura deben estar presentes en ella, y que las fuentes de estas misteriosas sustancias son desconocidas para nosotros. Sin embargo, las fluctuaciones de la radiación CMB, la formación y correlación entre estructuras a gran escala y las observaciones modernas de lentes gravitacionales, todo esto converge en la misma imagen.

Después de reunir todo esto, llegamos a la conclusión de que TM está obligada a comportarse como un líquido que impregna el Universo. Este líquido tiene una presión y viscosidad insignificantes, responde a la presión de radiación, no colisiona con fotones o materia normal, nació frío y no es relativista, y se agrupa bajo la influencia de su propia gravedad. Controla la formación de las estructuras del Universo en las escalas más grandes. Es extremadamente no homogéneo, y la magnitud de su heterogeneidad aumenta con el tiempo.



Esto es lo que podemos decir sobre esto en la escala más grande, donde hay observaciones. A pequeña escala, sospechamos, pero no estamos seguros, que la materia oscura consiste en partículas con propiedades que hacen que se comporte a gran escala a medida que sucede. Asumimos esto porque el Universo, hasta donde sabemos, consiste simplemente en partículas, ¡y eso es todo! Si es materia, si tiene masa, entonces también tiene un doble cuántico, y en algún nivel debería ser partículas. Pero hasta que detectemos directamente esta partícula, no tenemos forma de rechazar otra posibilidad: que TM es un campo determinado que se comporta como un líquido, pero afecta el espacio-tiempo de la misma manera que lo hacen los grupos de partículas.


Las restricciones experimentales sobre la materia oscura, que consisten en WIMP , son extremadamente estrictas. La curva más baja excluye las secciones transversales y masas de TM para todo lo que se encuentra por encima de ella

Por lo tanto, los intentos de detectar directamente TM son tan importantes! Como teórico que escribió su doctorado sobre la formación de estructuras a gran escala, entiendo muy bien que podemos lograr mucho en el campo de la predicción de observaciones a gran escala. Pero lo que no podemos hacer teóricamente es decir si la TM consiste en partículas o no. La única forma de verificar esto es detectarlo directamente; sin esto, se puede reunir evidencia indirecta convincente, pero no serán concluyentes. Aparentemente, no tiene nada que ver con la energía oscura, ya que esta última es realmente uniforme en todo el espacio, y las predicciones nos dicen con bastante precisión cómo interactúa a través de la gravedad y otras interacciones a gran escala.


Los flujos de materia oscura controlan la acumulación de galaxias y la formación de estructuras a gran escala; esto se puede ver en esta simulación de KIPAC / Stanford

Pero, ¿consiste en partículas? Hasta que descubramos esta partícula, solo podemos especular sobre ella. El universo demuestra su esencia cuántica, al menos para todos los tipos de materia, por lo que es lógico suponer que la materia oscura será la misma. Sin embargo, debe recordarse que tal razonamiento tiene sus limitaciones. Después de todo, al final, todo y en todas partes obedecen las mismas reglas, ¡pero solo hasta que deje de obedecerlas! Con TM, estamos en un territorio desconocido y es muy importante mantener la modestia frente a los grandes misterios del universo.