La materia oscura probablemente fue el ingrediente inicial para preparar las primeras galaxias en el universo. Poco después del Big Bang, las partículas de materia oscura se habrían agrupado en "halos" gravitacionales, arrastrando el gas circundante a sus núcleos, que con el tiempoenfriado y condensado en las primeras galaxias.
Aunque la materia oscura se considera la columna vertebral de la estructura del universo, los científicos saben muy poco sobre su naturaleza, ya que las partículas hasta ahora han evadido la detección.
Ahora los científicos del MIT, la Universidad de Princeton y la Universidad de Cambridge han descubierto que el universo primitivo, y las primeras galaxias, habrían tenido un aspecto muy diferente dependiendo de la naturaleza de la materia oscura. Por primera vez, el equipo ha simulado qué tan tempranoLa formación de galaxias se habría visto como si la materia oscura estuviera "borrosa", en lugar de fría o cálida.
En el escenario más ampliamente aceptado, la materia oscura es fría, compuesta de partículas de movimiento lento que, aparte de los efectos gravitacionales, no tienen interacción con la materia ordinaria. Se cree que la materia oscura cálida es una versión ligeramente más ligera y más rápida del fríomateria oscura. Y la materia oscura difusa, un concepto relativamente nuevo, es algo completamente diferente, que consiste en partículas ultraligeras, cada una de aproximadamente 1 octillionth 10-27 de la masa de un electrón una partícula fría de materia oscura es mucho más pesada, aproximadamente 105veces más masivo que un electrón.
En sus simulaciones, los investigadores encontraron que si la materia oscura fuera fría, entonces las galaxias en el universo primitivo se habrían formado en halos casi esféricos. Pero si la naturaleza de la materia oscura es difusa o cálida, el universo primitivo habría sido muy diferente, con las galaxias formando primero en filamentos extendidos en forma de cola. En un universo difuso, estos filamentos habrían aparecido estriados, como cuerdas iluminadas por las estrellas en un arpa.
A medida que los nuevos telescopios se conecten en línea, con la capacidad de ver más atrás en el universo primitivo, los científicos pueden deducir, a partir del patrón de formación de galaxias, si la naturaleza de la materia oscura, que hoy representa casi el 85 por ciento delmateria en el universo, es difusa en lugar de frío o cálido.
"Las primeras galaxias en el universo primitivo pueden iluminar qué tipo de materia oscura tenemos hoy", dice Mark Vogelsberger, profesor asociado de física en el Instituto Kavli de Astrofísica e Investigación Espacial del MIT. "O vemos este patrón de filamento, y difusola materia oscura es plausible, o no, y podemos descartar ese modelo. Ahora tenemos un plan de cómo hacer esto ".
Vogelsberger es coautor de un artículo que aparece en Cartas de revisión física , junto con el autor principal del artículo, Philip Mocz de la Universidad de Princeton y Anastasia Fialkov de la Universidad de Cambridge y anteriormente la Universidad de Sussex.
ondas difusas
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. Como resultado, los modelos de formación de galaxias se basan en el supuesto de que la oscuridadla materia está fría
"El problema es que hay algunas discrepancias entre las observaciones y las predicciones de la materia oscura fría", señala Vogelsberger. "Por ejemplo, si observa galaxias muy pequeñas, la distribución inferida de la materia oscura dentro de estas galaxias no es perfectade acuerdo con lo que predicen los modelos teóricos. Entonces hay tensión allí "
Ingrese, entonces, teorías alternativas para la materia oscura, incluida la cálida y difusa, que los investigadores han propuesto en los últimos años.
"La naturaleza de la materia oscura sigue siendo un misterio", dice Fialkov. "La materia oscura difusa está motivada por la física fundamental, por ejemplo, la teoría de cuerdas, y por lo tanto es un interesante candidato de materia oscura. Las estructuras cósmicas son la clave para validar odescartando tales modelos de materia oscura "
La materia oscura difusa está compuesta de partículas que son tan ligeras que actúan de forma cuántica, en forma de onda, en lugar de partículas individuales. Esta naturaleza cuántica y difusa, dice Mocz, podría haber producido galaxias tempranas que se ven completamente diferentesde lo que predicen los modelos estándar para la materia oscura fría.
"Aunque en el universo tardío estos diferentes escenarios de materia oscura pueden predecir formas similares para las galaxias, las primeras galaxias serían sorprendentemente diferentes, lo que nos dará una pista sobre qué es la materia oscura", dice Mocz.
Para ver cuán diferente podría ser un universo temprano frío y difuso, los investigadores simularon un espacio pequeño y cúbico del universo temprano, midiendo aproximadamente 3 millones de años luz de diámetro, y lo adelantaron a tiempo para ver cómo se formarían las galaxias dadasuno de los tres escenarios de materia oscura: frío, cálido y difuso.
El equipo comenzó cada simulación asumiendo una cierta distribución de la materia oscura, de la cual los científicos tienen alguna idea, basada en mediciones del fondo cósmico de microondas: "radiación reliquia" que fue emitida por, y fue detectada solo 400,000 años después,el Big Bang.
"La materia oscura no tiene una densidad constante, incluso en estos primeros tiempos", dice Vogelsberger. "Hay pequeñas perturbaciones en la parte superior de un campo de densidad constante".
Los investigadores pudieron usar algoritmos existentes para simular la formación de galaxias en escenarios de materia oscura fría y cálida. Pero para simular la materia oscura difusa, con su naturaleza cuántica, necesitaban un nuevo enfoque.
Un mapa de cuerdas de arpa
Los investigadores modificaron su simulación de materia oscura fría, permitiéndole resolver dos ecuaciones adicionales para simular la formación de galaxias en un universo difuso de materia oscura. La primera, la ecuación de Schrödinger, describe cómo una partícula cuántica actúa como una onda, mientras que lasegundo, la ecuación de Poisson describe cómo esa onda genera un campo de densidad, o distribución de materia oscura, y cómo esa distribución conduce a la gravedad, la fuerza que eventualmente atrae la materia para formar galaxias. Luego acoplaron esta simulación a un modelo que describeel comportamiento del gas en el universo y la forma en que se condensa en galaxias en respuesta a los efectos gravitacionales.
En los tres escenarios, las galaxias se formaron en cualquier lugar donde hubiera demasiadas densidades o grandes concentraciones de materia oscura colapsada gravitacionalmente. Sin embargo, el patrón de esta materia oscura era diferente, dependiendo de si era frío, cálido o difuso.
En un escenario de materia oscura fría, las galaxias se formaron en halos esféricos, así como subhalos más pequeños. La materia oscura cálida produjo primeras galaxias en filamentos en forma de cola, y no subhalos. Esto puede deberse a la naturaleza más ligera y rápida de la materia oscura cálida, haciendo que las partículas sean menos propensas a pegarse en pequeños grupos de subhalo.
Similar a la materia oscura cálida, la materia oscura difusa formó estrellas a lo largo de los filamentos. Pero luego los efectos de las ondas cuánticas se hicieron cargo de la formación de las galaxias, que formaron filamentos más estriados, como cuerdas en un arpa invisible. Vogelsberger dice que este patrón estriado se debe a interferencia, un efecto que ocurre cuando dos ondas se superponen. Cuando esto ocurre, por ejemplo en ondas de luz, los puntos donde las crestas y los canales de cada onda se alinean forman puntos más oscuros, creando un patrón alterno de regiones brillantes y oscuras.
En el caso de la materia oscura difusa, en lugar de puntos brillantes y oscuros, genera un patrón alterno de concentraciones de materia oscura demasiado densas y subdensas.
"Obtendría mucha atracción gravitacional en estas sobredensidades, y el gas seguiría, y en algún momento formaría galaxias a lo largo de esas sobredensidades, y no las subdensidades", explica Vogelsberger. "Esta imagense replicaría en todo el universo primitivo "
El equipo está desarrollando predicciones más detalladas de cómo podrían haber sido las primeras galaxias en un universo dominado por materia oscura difusa. Su objetivo es proporcionar un mapa para los próximos telescopios, como el telescopio espacial James Webb, que puedenmire lo suficientemente atrás en el tiempo como para detectar las primeras galaxias. Si ven galaxias filamentosas como las simuladas por Mocz, Fialkov, Vogelsberger y sus colegas, podrían ser los primeros signos de que la naturaleza de la materia oscura es borrosa.
"Es esta prueba de observación que podemos proporcionar la naturaleza de la materia oscura, basada en observaciones del universo primitivo, que será factible en los próximos años", dice Vogelsberger.
Esta investigación fue apoyada, en parte, por la NASA.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Jennifer Chu. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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