Pregúntele a Ethan: si la materia oscura está en todas partes, ¿por qué no la encontramos en el sistema solar?

El halo de aglomeración de materia oscura con diferentes densidades y la enorme estructura difusa que predicen las simulaciones. Para la escala, se muestra la parte brillante de la galaxia. Como la materia oscura está en todas partes, también debe estar en nuestro sistema solar. Entonces, ¿por qué no la hemos visto todavía?

Según el gran volumen de evidencia, la mayor parte del universo consiste en una cierta masa de un tipo misterioso, que nunca hemos medido directamente. Los protones, los neutrones y los electrones, y en general toda la materia, que consta de partículas incluidas en el Modelo Estándar, de los cuales están formados los planetas, estrellas y galaxias que descubrimos en todo el Universo, representan solo el 15% de su masa total. El resto consiste en algo completamente diferente: materia oscura fría . Pero si la materia oscura está en todas partes y en grandes cantidades, ¿por qué no hemos visto en el sistema solar? Esta es la pregunta que nuestro lector hace:

Toda evidencia de la presencia de materia oscura y energía oscura se refiere al cosmos distante. Es bastante sospechoso que no veamos ninguna evidencia de su existencia aquí en nuestro sistema solar. Nadie ha reportado alguna anomalía en las órbitas de los planetas. Sin embargo, se midieron con mucha precisión. Si el universo es 95% oscuro, tales efectos podrían medirse localmente.

Es asi? Este fue uno de los primeros pensamientos que cruzó por mi mente cuando me enteré de la materia oscura (TM) hace 17 años. Averigüemos y descubramos la verdad.



La red cósmica de materia oscura y la estructura a gran escala que forma. La materia normal está presente, pero solo 1/6 de la cantidad total de materia. El 5/6 restante es materia oscura, y ninguna cantidad de materia ordinaria puede manejarlo.

La idea principal de TM es que en algún momento en un universo muy joven, antes de la aparición de galaxias, estrellas o incluso átomos neutros, había un mar casi perfecto y suave de TM, distribuido por todo el espacio. Con el tiempo, la gravedad y otras fuerzas pasaron por varias etapas interconectadas:

• toda la materia, normal y oscura, es atraída por la gravedad,
• Las áreas con una densidad superior al promedio crecen, atrayendo ambos tipos de materia,
• la radiación choca con la materia normal y presiona sobre ella,
• pero con TM esto no sucede, al menos no sucede exactamente de la misma manera.

Esto crea una imagen muy definida de áreas de alta y baja densidad en el universo; Un patrón que aparece cuando observamos la radiación relicta (IR).



Las fluctuaciones de RI son tan pequeñas y tan características que indican de manera convincente que el Universo al principio tenía la misma temperatura en todas partes, y también contenía materia oscura, materia ordinaria y energía oscura en ciertas proporciones.

RI es el resplandor residual del Big Bang: la radiación que cayó en nuestros ojos, habiendo recorrido el camino desde el momento en que se formaron por primera vez átomos neutrales estables en el Universo. Hoy observamos una fotografía del Universo durante la transición de un plasma ionizado a un conjunto de átomos eléctricamente neutros, cuando la presión de radiación se vuelve insignificante. Las áreas frías corresponden a regiones de mayor densidad, ya que la radiación tiene que gastar energía adicional (más que el promedio) para salir de estos pozos de gravedad; puntos calientes, respectivamente, regiones con densidad reducida.



Las áreas de alta, media y baja densidad que existían cuando el Universo tenía solo 380,000 años ahora corresponden a las partes fría, media y caliente de RI

El dibujo de áreas frías y calientes en todas las escalas que podemos observar, y la correlación entre ellas, nos informa sobre la composición del Universo: 68% de energía oscura, 27% TM, 5% de materia normal. Con el tiempo, estas áreas de mayor densidad se convirtieron en estrellas, cúmulos estelares, galaxias y cúmulos galácticos, y las áreas de menor densidad dieron su materia a las áreas de mayor densidad que las rodean. Y aunque solo podemos ver la materia normal, debido al hecho de que emite e interactúa con la luz y otros tipos de radiación, HM es la fuerza dominante responsable del crecimiento gravitacional de las estructuras del Universo.



Un estudio cuidadoso del Universo demuestra que consiste en materia, y no en antimateria, que TM y energía oscura son necesarias, y que no conocemos las fuentes de todos estos misterios. Sin embargo, las fluctuaciones de RI, la formación y las correlaciones entre estructuras a gran escala y las observaciones modernas de lentes gravitacionales apuntan a la misma imagen.

Dado que la materia normal interactúa consigo misma, el colapso gravitacional de la materia normal y oscura ocurre de diferentes maneras. Un bulto de materia normal, reunido bajo la influencia de la gravedad, comienza a encogerse. La compresión pasa primero por la dimensión más corta, pero la materia normal interactúa y colisiona con otras partículas de materia normal, al igual que sus manos, aunque están formadas por átomos que son casi un espacio vacío, aplaudirán cuando intente sostener un brazo. a través de otro. Esta interacción conduce a la aparición de un disco giratorio de materia: todo fluye desde él, desde las galaxias de disco (espiral) a los sistemas solares, los planetas en los que se mueven en órbitas que se encuentran en el mismo plano. La materia oscura, por otro lado, no colisiona consigo misma o con la materia normal, por lo que permanece en forma de halo grande y extremadamente escaso. Y aunque hay más materia oscura de lo habitual, su densidad, por ejemplo, en nuestra galaxia, es mucho menor en aquellos lugares donde hay estrellas.



Durante la revolución de la Tierra alrededor del Sol, nuestro movimiento a través de TM en nuestra galaxia cambia, por lo tanto, su halo debe demostrar varias propiedades de interacción

Y ahora llegamos al tema principal. ¿Cómo afecta TM al sistema solar? La mayor parte de lo que probablemente imagina será cierto de una forma u otra: las partículas TM deben volar por todas partes en el espacio, incluido todo el espacio de la Vía Láctea. Y esto significa que TM debe estar en el sistema solar, en el sol, debe pasar a través de nuestro planeta y nuestros cuerpos. La gran pregunta es esta: en comparación con las masas del Sol, los planetas, otros objetos del sistema solar, ¿cuál será la masa de TM que nos interese?



En el sistema solar, en una primera aproximación, las órbitas de los planetas están determinadas por el sol. En la segunda aproximación, todas las demás masas (planetas, lunas, asteroides, etc.) juegan un papel importante. Pero para agregar aquí también TM, debe aumentar considerablemente la precisión.

Para responder, primero debemos entender qué determina las órbitas de los objetos dentro de nuestro sistema solar. Por un amplio margen, el Sol será la masa dominante en el Sistema Solar. Con una aproximación muy precisa, determina las órbitas de los planetas. Pero para Venus, el planeta Mercurio será interno, y en una primera aproximación, la órbita de Venus está determinada por la masa total del Sol y Mercurio. La órbita de Júpiter está determinada por la suma de la masa del Sol y todos los planetas internos, así como el cinturón de asteroides. Para cualquier objeto en su conjunto, su órbita está determinada por la masa total encerrada en una esfera imaginaria centrada en el Sol y este objeto en el borde de la esfera.



En la teoría general de la relatividad, en el caso de una distribución uniforme de TM (o cualquier masa) en el espacio, solo la masa encerrada dentro de su órbita afecta el movimiento de un objeto; una masa homogénea fuera de la órbita no afecta nada [teorema de Birkhoff / aprox. perev.]

Si hay un mar de HM que impregna todo el espacio donde usted y yo estamos, todo el sistema solar, entonces los planetas exteriores deberían interactuar con una masa ligeramente mayor que los interiores. Y si hay mucha TM, entonces debe haber una forma de detectarla. Dado que conocemos la masa de la Vía Láctea, la densidad relativa de la materia normal y oscura, y tenemos simulaciones que muestran cómo debe comportarse la densidad de TM, podemos dar muy buenas estimaciones. Y después de realizar tales cálculos, resulta que aproximadamente 10 ¹³ kg de HM deberían afectar la órbita de la Tierra, y 10 ¹⁷ kg deberían afectar la órbita de un planeta como Neptuno.

¡Pero estos números son pequeños en comparación con el resto de las masas! La masa del Sol es 2 × 10 ³⁰ kg, la masa de la Tierra es 6 × 10 ²⁴ . Las masas que mencionamos en el intervalo 10 ¹³ - 10 ¹⁷ kg son comparables con la masa de un asteroide modesto. Algún día, tal vez, podamos comprender el sistema solar de manera tan precisa que podamos detectar diferencias tan pequeñas, pero hasta ahora hemos superado este error unas 100,000 veces .



Nuestra galaxia se encuentra dentro del halo enorme y disperso de TM, por lo que la TM debe fluir dentro del Sistema Solar. Pero su densidad es extremadamente baja, por lo que es muy difícil detectarlo localmente.

En otras palabras, la TM debe estar en el sistema solar y afectar el movimiento de los planetas exteriores, no como el movimiento de los planetas internos, debido a la cantidad de masa ubicada en una esfera centrada en el Sol y un radio en la distancia al planeta. Puede interesarle la pregunta de si la interacción de muchos cuerpos, a saber, TM, planetas y el Sol, puede conducir a la captura de una cantidad adicional de TM. Este es un problema interesante, y escribí un trabajo sobre este tema hace unos 10 años. Mis colegas y yo descubrimos que la densidad de TM puede aumentar mucho, pero solo si no se tiene en cuenta que la masa capturada, que es muy probable que se devuelva. Pero incluso con tal aumento, la masa máxima de TM, después de 4.500 millones de años (magenta en el gráfico) todavía está muy por debajo de todas las limitaciones observadas.



El número de HM galácticos dentro de las órbitas de los planetas de diferentes radios de nuestro Sistema Solar (azul), y el número total de HM que debería haberse capturado durante toda la vida del Sistema Solar, sin tener en cuenta sus emisiones, así como el mejor límite tomado del trabajo de 2013 , de acuerdo con el número máximo de TM, que, en principio, puede estar con nosotros. Todavía no hemos tenido la oportunidad de verificar su disponibilidad.

En nuestro sistema solar, realmente existe TM, y debería tener un impacto real en todas las demás partículas de materia a su alrededor. Si hay interacción cruzada entre partículas de materia normal y oscura, entonces, en experimentos de detección directa, debería ser posible detectarla directamente en la Tierra. Y si no, entonces los efectos gravitacionales de la TM que pasa a través del sistema solar, tanto capturados como libres gravitacionalmente, deberían afectar las órbitas de los planetas. Pero hasta que nuestras mediciones sean lo suficientemente precisas, este efecto gravitacional no será suficiente para ninguna detección directa. Hasta ahora, tenemos que mirar el Universo fuera del sistema solar para observar el efecto de TM en el espacio-tiempo.