Simulaciones de cómo se forman las galaxias en escenarios fríos, cálidos y difusos (de izquierda a derecha) de materia oscura. (Universidades de Princeton, Sussex, Cambridge).
Una nueva investigación ha simulado la materia oscura de una manera nueva por primera vez, cuestionando el pensamiento convencional sobre la composición del universo.
La investigación, publicada en Physical Review Letters, implicó a científicos de las universidades de Sussex, Princeton, Harvard, Cambridge y MIT, entre otras.
Los científicos han sospechado durante mucho tiempo que el 85 por ciento del universo está compuesto de partículas invisibles, o materia oscura, que deben ser muy frías y pesadas.
Si bien la materia oscura aún no se ha detectado directamente, la hipótesis que describe la materia oscura como fría ha demostrado ser exitosa al describir la estructura a gran escala del universo observable. En consecuencia, los modelos de formación de galaxias se basan en el supuesto de que la materia oscura es fría.
Pero como no hay certeza absoluta sobre esa naturaleza de la materia oscura, los científicos han considerado dos propuestas alternativas diferentes.
La primera supone que la materia oscura es cálida (en vez de muy fría) y que está formada por una partícula más ligera y más rápida.
La segunda imagina que la materia oscura es difusa, y que está formada por un bosón ultraligero, que puede haber impreso su naturaleza de onda cuántica a las primeras distribuciones de estrellas y gas.
Las simulaciones realizadas por los científicos de las citadas universidades muestran cómo las estrellas y galaxias podrían haberse formado y agrupado en el origen del universo si la materia oscura fuese realmente como se ha imaginado: muy fría y pesada, cálida y ligera, o difusa y ondulatoria.
Tres modelos diferentes de galaxias
A través de estas simulaciones, los científicos descubrieron que estos tres modelos conducen a una distribución diferente de la materia oscura y, por lo tanto, a un patrón distinto de formación de galaxias.
Si la materia oscura fuera realmente fría y pesada, como se ha asumido hasta ahora, entonces las galaxias en el universo primitivo se habrían formado en halos casi esféricos.
Pero si la naturaleza de la materia oscura fuese cálida y ligera, el universo primitivo se habría visto muy diferente, y las primeras galaxias se habrían generado en forma de filamentos extendidos, como una cola.
Finalmente, si la materia oscura fuese difusa y ondulatoria, estos filamentos galácticos habrían aparecido estriados, como las cuerdas de un arpa iluminadas con estrellas.
La investigación, publicada en Physical Review Letters, implicó a científicos de las universidades de Sussex, Princeton, Harvard, Cambridge y MIT, entre otras.
Los científicos han sospechado durante mucho tiempo que el 85 por ciento del universo está compuesto de partículas invisibles, o materia oscura, que deben ser muy frías y pesadas.
Si bien la materia oscura aún no se ha detectado directamente, la hipótesis que describe la materia oscura como fría ha demostrado ser exitosa al describir la estructura a gran escala del universo observable. En consecuencia, los modelos de formación de galaxias se basan en el supuesto de que la materia oscura es fría.
Pero como no hay certeza absoluta sobre esa naturaleza de la materia oscura, los científicos han considerado dos propuestas alternativas diferentes.
La primera supone que la materia oscura es cálida (en vez de muy fría) y que está formada por una partícula más ligera y más rápida.
La segunda imagina que la materia oscura es difusa, y que está formada por un bosón ultraligero, que puede haber impreso su naturaleza de onda cuántica a las primeras distribuciones de estrellas y gas.
Las simulaciones realizadas por los científicos de las citadas universidades muestran cómo las estrellas y galaxias podrían haberse formado y agrupado en el origen del universo si la materia oscura fuese realmente como se ha imaginado: muy fría y pesada, cálida y ligera, o difusa y ondulatoria.
Tres modelos diferentes de galaxias
A través de estas simulaciones, los científicos descubrieron que estos tres modelos conducen a una distribución diferente de la materia oscura y, por lo tanto, a un patrón distinto de formación de galaxias.
Si la materia oscura fuera realmente fría y pesada, como se ha asumido hasta ahora, entonces las galaxias en el universo primitivo se habrían formado en halos casi esféricos.
Pero si la naturaleza de la materia oscura fuese cálida y ligera, el universo primitivo se habría visto muy diferente, y las primeras galaxias se habrían generado en forma de filamentos extendidos, como una cola.
Finalmente, si la materia oscura fuese difusa y ondulatoria, estos filamentos galácticos habrían aparecido estriados, como las cuerdas de un arpa iluminadas con estrellas.
Escenario alternativo creíble
Anastasia Fialkov, una de las investigadoras, explica en un comunicado : “La naturaleza de la materia oscura sigue siendo un misterio. La teoría de la materia oscura difusa tiene sentido en términos de física fundamental, por ejemplo, la teoría de cuerdas, por lo que es un candidato interesante para la materia oscura. Y si la nueva generación de telescopios potentes demuestra que la teoría de la materia oscura difusa es correcta, habremos aclarado la naturaleza de la materia oscura: uno de los mayores misterios de todo el universo”.
Y añade: “En todo el mundo, los investigadores están buscando materia oscura, y los físicos de partículas están construyendo modelos para la materia oscura, y muchos de ellos han asumido que la materia oscura es 'fría'. La teoría de la materia oscura difusa, donde la materia oscura se comporta como una onda a escalas galácticas, ahora presenta un escenario alternativo creíble: esa materia oscura es pequeña, se mueve en ondas que se comportan como materia cuántica. Nuestras simulaciones son las primeras en abordar la formación de galaxias en el contexto de la materia oscura difusa".
¿Wally o Wenda?
Kathy Romer, profesora en la Universidad de Sussex, añade al respecto: "La búsqueda de la materia oscura es un poco como ¿Dónde está Wally? El trabajo dedicado en las últimas décadas por astrónomos y físicos de partículas nos ha dado algunas de las pistas que debemos buscar, equivalentes al suéter y sombrero a rayas de Wally, pero aún no lo hemos encontrado”.
"Tal vez no deberíamos haber estado buscando a Wally (materia oscura fría) todo este tiempo, sino que deberíamos haber estado buscando a Wenda (materia oscura difusa) en su lugar. Esta nueva investigación es tan importante porque nos proporciona otra pista para localizar los calcetines a rayas de Wenda”.
Para descubrir si el universo debe su estructura a Wally o Wenda, el equipo ha desarrollado las primeras predicciones realistas de cómo podrían haber sido las primeras galaxias en un universo dominado por materia protogaláctica diferente, muy ligera en masa, en lugar de muy pesada, como la mayoría de los científicos ha asumido hasta ahora.
El objetivo de estas simulaciones es proporcionar un mapa para los próximos telescopios, como el James Webb, que pueden mirar lo suficientemente atrás en el tiempo como para detectar las primeras galaxias.
Si viera galaxias con las colas, o 'filamentos' como se simulan en esta investigación, podrán confirmar que la materia oscura es realmente de naturaleza difusa y ondulatoria, señalan las científicas.
Anastasia Fialkov, una de las investigadoras, explica en un comunicado : “La naturaleza de la materia oscura sigue siendo un misterio. La teoría de la materia oscura difusa tiene sentido en términos de física fundamental, por ejemplo, la teoría de cuerdas, por lo que es un candidato interesante para la materia oscura. Y si la nueva generación de telescopios potentes demuestra que la teoría de la materia oscura difusa es correcta, habremos aclarado la naturaleza de la materia oscura: uno de los mayores misterios de todo el universo”.
Y añade: “En todo el mundo, los investigadores están buscando materia oscura, y los físicos de partículas están construyendo modelos para la materia oscura, y muchos de ellos han asumido que la materia oscura es 'fría'. La teoría de la materia oscura difusa, donde la materia oscura se comporta como una onda a escalas galácticas, ahora presenta un escenario alternativo creíble: esa materia oscura es pequeña, se mueve en ondas que se comportan como materia cuántica. Nuestras simulaciones son las primeras en abordar la formación de galaxias en el contexto de la materia oscura difusa".
¿Wally o Wenda?
Kathy Romer, profesora en la Universidad de Sussex, añade al respecto: "La búsqueda de la materia oscura es un poco como ¿Dónde está Wally? El trabajo dedicado en las últimas décadas por astrónomos y físicos de partículas nos ha dado algunas de las pistas que debemos buscar, equivalentes al suéter y sombrero a rayas de Wally, pero aún no lo hemos encontrado”.
"Tal vez no deberíamos haber estado buscando a Wally (materia oscura fría) todo este tiempo, sino que deberíamos haber estado buscando a Wenda (materia oscura difusa) en su lugar. Esta nueva investigación es tan importante porque nos proporciona otra pista para localizar los calcetines a rayas de Wenda”.
Para descubrir si el universo debe su estructura a Wally o Wenda, el equipo ha desarrollado las primeras predicciones realistas de cómo podrían haber sido las primeras galaxias en un universo dominado por materia protogaláctica diferente, muy ligera en masa, en lugar de muy pesada, como la mayoría de los científicos ha asumido hasta ahora.
El objetivo de estas simulaciones es proporcionar un mapa para los próximos telescopios, como el James Webb, que pueden mirar lo suficientemente atrás en el tiempo como para detectar las primeras galaxias.
Si viera galaxias con las colas, o 'filamentos' como se simulan en esta investigación, podrán confirmar que la materia oscura es realmente de naturaleza difusa y ondulatoria, señalan las científicas.
Referencia
First Star-Forming Structures in Fuzzy Cosmic Filaments. Philip Mocz et al. Phys. Rev. Lett. 123, 141301, 2 October 2019. DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.141301
First Star-Forming Structures in Fuzzy Cosmic Filaments. Philip Mocz et al. Phys. Rev. Lett. 123, 141301, 2 October 2019. DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.141301