Nueva evidencia de que la materia oscura podría interactuar consigo misma

Nueva evidencia de que la materia oscura podría interactuar consigo misma

Abell 3827, fotografiado por el Telescopio Espacial Hubble.  Los cuatro objetos principales en el centro son las galaxias discutidas en el artículo.  Los extraños objetos de color azul pálido que los rodean son imágenes de lentes de una galaxia de fondo mucho más distante.  Las líneas de contorno azules muestran la distribución de la materia oscura.  La galaxia superior izquierda de las cuatro tiene materia oscura claramente desplazada de la galaxia visible, lo que posiblemente implica un desplazamiento por fricción, causado por interacciones propias.

Abell 3827, fotografiado por el Telescopio Espacial Hubble. Los cuatro objetos principales en el centro son las galaxias discutidas en el artículo. Los extraños objetos de color azul pálido que los rodean son imágenes de lentes de una galaxia de fondo mucho más distante. Las líneas de contorno azules muestran la distribución de la materia oscura. La galaxia superior izquierda de las cuatro tiene materia oscura claramente desplazada de la galaxia visible, lo que posiblemente implica un desplazamiento por fricción, causado por interacciones propias.

Un nuevo estudio ha examinado el cúmulo de galaxias Abell 3827 y ha encontrado indicios de que la materia oscura puede interactuar consigo misma. Si se confirma, marcaría un importante paso adelante en la búsqueda en curso para comprender la sustancia que ayuda a estructurar el Universo.

El equipo usó el instrumento MUSE en el Very Large Telescope (VLT), así como imágenes del Telescopio Espacial Hubble para mapear el cúmulo. Debido a que las grandes masas, como las galaxias y los cúmulos de galaxias, desvían los caminos de la luz, actúan como lentes, un proceso llamado (¡sorpresa!) lentes gravitacionales. El equipo usó la compleja red de efectos de lentes en todo el cúmulo para mapear la materia oscura allí. La presencia de una lente gravitatoria fuerte es una oportunidad para el estudio, porque la materia oscura sería invisible sin ella.

Materia oscura y remoción de mareas

Cada galaxia se encuentra en una mancha aproximadamente esférica, llamada halo, de materia oscura. Este halo constituye la mayor parte de la masa de la galaxia. En situaciones normales, esta configuración es estable, pero cuando varias galaxias interactúan entre sí, puede tener lugar un proceso llamado efecto de marea, en el que la gravedad de una galaxia atrae la materia de otra. Esto puede separar la materia oscura de las estrellas de la galaxia.

Lo que suceda a continuación depende de si las partículas de materia oscura interactúan o no, es decir, si las partículas individuales de materia oscura chocan entre sí. Generalmente se asume, en el modelo actualmente aceptado, que las partículas de materia oscura no interactúan entre sí en niveles significativos, por la misma razón que generalmente no interactúan con la materia normal como la Tierra: la única fuerza conocida que puede afectar la materia oscura es la gravedad. Si las partículas de materia oscura chocan entre sí, significa que son sensibles a una fuerza distinta a la gravedad.

«Solíamos pensar en la materia oscura sentada ocupándose de sus propios asuntos, excepto su atracción gravitatoria», dijo Richard Massey de la Universidad de Durham, el autor principal del artículo. «Pero si la materia oscura se ralentizara durante esta colisión, podría ser la primera evidencia de física rica en el sector oscuro: el universo oculto que nos rodea».

Hay algunos problemas de observación menores con la materia oscura que no interactúa, problemas que podrían resolverse si la materia oscura interactuara consigo misma. Varios estudios, incluido uno reciente, han visto señales de rayos gamma inusuales que podrían ser causadas por colisiones de materia oscura, aunque estos resultados no han sido concluyentes.

Otras observaciones se han centrado en el efecto de cambio en los cúmulos de galaxias y las colisiones de cúmulos de galaxias. Si la materia oscura no interactúa, los halos de galaxias pasarán sin incidentes. Si hay alguna interacción, entonces la materia oscura debería ralentizarse un poco, rezagándose con respecto a la materia ordinaria. Hasta ahora, estas búsquedas no han encontrado nada. La falta de retraso evidente en Bullet Cluster, una de las observaciones de materia oscura más conocidas, impone una restricción en el grado de interacción, la «sección transversal» de las partículas de materia oscura, que se produce.

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Restricciones y una olla de oro

La sección transversal es esencialmente una medida de la frecuencia con la que chocan las partículas de materia oscura. Cuanto más chocan (o cuanto mayor es la sección transversal), más debe retrasarse una gota de materia oscura, debido a la fricción creada por las partículas que chocan. En las observaciones de Bullet Cluster, no se encontró compensación, pero el estudio no fue lo suficientemente preciso como para descartarlo por completo. Pero el estudio lo obligó; si tuvieron lugar autointeracciones con la materia oscura, no lo hicieron con frecuencia (la sección transversal debe haber sido de 1,25 cm2 por gramo o menos).

Otros estudios no lograron la precisión necesaria para descartar autointeracciones con secciones transversales más pequeñas. Un estudio reciente, realizado por miembros del mismo equipo que este, analizó varios cúmulos de galaxias en colisión y utilizó análisis estadísticos para buscar el efecto de retraso. Pudieron restringir aún más la sección transversal; la nueva sección transversal máxima posible para la materia oscura era de 0,47 centímetros cuadrados por gramo, menos de la mitad de la tensión original.

Cuanto más restringida esté, es menos probable que la materia oscura interactúe consigo misma. Es un poco como buscar la olla de oro al final del arcoíris. Si pudieras encontrar el final de un arco iris y no ver ninguna olla de oro allí, podrías decir «bueno, tal vez los sprites solo lo almacenan en ciertos arco iris». Sin embargo, a medida que busca más y más arcoíris y no encuentra oro, puede refinar repetidamente sus expectativas: «Bueno, tal vez menos del 30% de los arcoíris: los arcoíris contienen oro». De esta manera, la posibilidad de ollas de oro nunca se descartará por completo, pero con cada fracaso en descubrir alguna, se vuelve cada vez menos probable que alguna vez haya oro.

Como una olla de oro, lo que sea que busques a menudo sigue siendo atractivo incluso cuando su probabilidad disminuye. Si la sección transversal real estuviera ligeramente por debajo de la restricción reciente de 0,47 centímetros cuadrados por gramo, sería justo resolver los problemas de observación con el modelo principal de materia oscura, que requiere una sección transversal entre 0,1 y un centímetro cuadrado por gramo.

Abel 3827

Una vista más amplia de Abell 3827, tomada por Hubble.Agrandar / Una vista más amplia de Abell 3827, tomada por Hubble.

El cúmulo de galaxias Abell 3827 es un candidato ideal para investigar las autointeracciones de la materia oscura. Por un lado, su núcleo (una región con un radio de unos diez kiloparsecs) contiene cuatro galaxias casi igualmente luminosas (anteriormente reportadas como cinco, pero una de ellas resultó ser una estrella Pathway, que estaba justo en nuestra línea de visión para Una campana). Por otro lado, hay un rico sistema de lentes gravitacionales tejidos a lo largo del cúmulo, lo que permite al equipo mapear la materia oscura del cúmulo. Aún mejor, está ubicado a una distancia en la que podemos medir efectivamente incluso pequeñas separaciones entre halos de materia oscura despojados y sus galaxias brillantes.

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Una vez que el equipo cartografió la región, descubrió que uno de los halos de materia oscura de las galaxias estaba desplazado de la posición de la galaxia visible por un buen margen: unos 5.000 años luz. Incluso una pequeña sección transversal (es decir, colisiones de partículas de materia oscura muy poco frecuentes) podría producir un cambio notable, como este.

Las otras tres galaxias también están separadas de su materia oscura, pero es más difícil determinar ciertas distancias de la parte brillante, porque estas galaxias no están tan bien alineadas con el objeto de fondo con lente gravitacional.

Todavía se necesita más trabajo para descartar otros factores además de las propias interacciones de la materia oscura como la causa del cambio observado. Pero bajo el supuesto de que la materia oscura que interactúa consigo misma es la culpable, el equipo pudo determinar la sección transversal aproximada: es de aproximadamente 0,00017 centímetros cuadrados por gramo. Lejos, desafortunadamente, del mínimo de 0,1 centímetros cuadrados por gramo necesario para resolver los problemas con el modelo actual de materia oscura, pero presente de todos modos.

Este valor, sin embargo, tiene algún error, principalmente porque existe una gran incertidumbre sobre cuánto tiempo tardaron estas galaxias en llegar a la etapa actual de su colisión. La fricción que desaceleró la materia oscura podría haber sido una fuerza débil que actuó durante un tiempo muy largo o una fuerza fuerte que actuó durante un tiempo más corto.

Cabe señalar que esta diferencia también es la razón por la cual este estudio pudo obtener una mejor medición de la sección transversal que el estudio estadístico mencionado anteriormente en este artículo. Si bien ese estudio se centró en las colisiones de cúmulos de galaxias, este examina las colisiones de galaxias individuales dentro de un cúmulo.

conclusión

Como se señaló, se necesita hacer más trabajo para confirmar estos resultados y fijar firmemente la sección transversal de una vez por todas. «Sabemos que la materia oscura existe por la forma en que interactúa gravitatoriamente, ayudando a dar forma al Universo, pero aún sabemos muy poco sobre qué es realmente la materia oscura», escribió Liliya Williams de la Universidad de Minnesota, otra de las autoras del estudio. artículo. . «Nuestra observación sugiere que la materia oscura podría interactuar con fuerzas distintas a la gravedad, lo que significa que podríamos descartar algunas teorías clave sobre lo que podría ser la materia oscura».

Al menos, descubrir que la materia oscura interactúa a través de fuerzas distintas a la gravedad finalmente disiparía los temores de los físicos: al menos existe la posibilidad de que podamos identificar una partícula de este tipo en los detectores basados ​​en la Tierra.

Fundamentalmente, como señaló Williams, el resultado también descartaría algunos candidatos a materia oscura, continuaría estrechando el campo de posibilidades y acabaría con algunas de las criaturas monstruosas en los bordes del mapa de materia oscura.

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