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Tratando de comprender la materia obscura

El método para sopesar los grupos de galaxias podría ayudarnos a comprender las misteriosas estructuras de "materia oscura"

Tratando de comprender la materia obscura
Lentes gravitacionales (arcos y rayas en la imagen) en el cúmulo de galaxias Abell 370. Crédito de la imagen: NASA / ESA

Por James Geach, becario de investigación de la Universidad Royal Society de la Universidad de Hertfordshire para The Conversation Octubre 17 de 2017


La galaxia más lejana que se haya observado está tan lejos que la luz de las estrellas que detectamos ahora se emitió a menos de 500 metros del Big Bang. Nos llevó aproximadamente 13 mil millones de años. Pero hay muchas cosas sobre una galaxia que no podemos ver. Por ejemplo, creemos que las galaxias están inmersas dentro de gigantescos "halos" de una sustancia invisible llamada materia oscura. Los científicos en realidad no saben qué es la materia oscura, pero saben que existe porque tiene una atracción gravitacional sobre la materia circundante.

Ahora, nuestra nueva investigación, publicada en Nature Astronomy, presenta una forma en que podríamos aprender cómo han evolucionado las galaxias en esta extraña y oscura materia en la mayor parte del tiempo cósmico.

Que podamos ver la luz emitida hace 13 mil millones de años puede sonar increíble. Pero podemos ver la luz emitida incluso antes, antes de que se formen las galaxias. Durante algunos cientos de milenios después de su formación, el universo era un lío caliente de partículas de luz (fotones), protones cargados eléctricamente y electrones (plasma), así como materia oscura. Los fotones estaban atrapados entre el plasma: continuamente "dispersados" en direcciones aleatorias por interacciones casi constantes con los electrones libres.

Al igual que tratar de atravesar una sala concurrida y bulliciosa, la longitud promedio del camino de cada fotón era muy corta antes de su próxima interacción. Esto hizo que el universo fuera opaco; si intentas mirar a través de este medio, sería como mirar en un banco de niebla.

Pero 380,000 años después del Big Bang, el universo se había expandido y se había enfriado hasta el punto en que los electrones libres podían unirse con los protones para formar átomos de hidrógeno. La dispersión cesó rápidamente, permitiendo que los fotones fluyeran libremente por el universo sin electrones libres en el camino.

Como esta transición sucedió en todas partes en el universo con bastante rapidez, desde nuestro punto de vista es como si todos estos fotones fueran liberados de repente desde el interior de un enorme caparazón que contiene la sopa opaca de partículas y materia oscura. Efectivamente, esta "concha" es el "objeto" más lejano que podemos ver, a una distancia de 45 mil millones de años luz. Los científicos lo llaman la superficie de la última dispersión.

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El fondo cósmico de microondas visto por el observatorio Espacial Planck. Crédito de imagen: ESA y la Colaboración Planck

Viajando a través del cosmos, estos fotones pierden energía a medida que el universo continúa expandiéndose, extendiendo sus longitudes de onda. Y podemos detectarlos en el fondo de microondas cósmico, o CMB, que es la radiación sobrante del nacimiento del universo.

Una contraluz cósmica

Hemos estudiado el CMB desde hace décadas: mucha información sobre las propiedades del universo primitivo está codificada a la luz. Pero recientemente ha sido posible extraer aún más información de él explotando el hecho de que cada fotón en esta radiación ha tenido que viajar a través de un universo lleno de materia.

La teoría de la relatividad general de Einstein describe la gravedad como una distorsión del espacio-tiempo debido a la presencia de un objeto con masa. Esta distorsión puede desviar los caminos de los fotones que pasan por el objeto, un fenómeno conocido como lente gravitacional. Entonces, al ver cómo la luz de alguna fuente de fondo (como una galaxia) se desvía debido a un objeto frente a ella, podemos calcular las propiedades de ese objeto en primer plano.

La superficie de la última dispersión actúa como una luz cósmica de fondo, brillando a través de toda la materia en el universo. Como resultado, los fotones del CMB son gravitacionalmente enfocados por la materia intermedia entre la superficie y nosotros. Nuestra visión del CMB es como nuestra visión de un paisaje distante visto a través de un cristal de ventana lleno de sutiles imperfecciones.

Sorprendentemente, ahora podemos mapear estas imperfecciones a través del cielo, proporcionándonos un medio de "ver" la huella gravitatoria de toda la masa en el universo observable. Esto nos está dando una nueva forma de estudiar las galaxias. Por ejemplo, podemos medir la cantidad de lente CMB en diferentes direcciones y pesar estructuras cósmicas simplemente mirando cuánto han desviado la luz CMB. Esto es lo que acabamos de hacer para los objetos más masivos del universo: grupos de galaxias.

Una nueva forma de pesaje

Los grupos de galaxias no solo contienen galaxias: el espacio entre las galaxias se llena con un plasma caliente, y las galaxias y el gas se sumergen en la materia oscura. Agréguelo y la masa total supera los cien mil millones de soles, creando grandes valles en el espacio-tiempo.

Albert Einstein
Vista del universo donde la altura de un pico corresponde a la cantidad de masa presente. Crédito de la imagen: J. Geach (Universidad de Hertfordshire)

Los científicos han estado buscando desde hace tiempo un método confiable para traducir el número de galaxias en grupos en la masa total de materia oscura, gas y estrellas. Podemos usar nuevos mapas de lentes del CMB para este fin. Los mapas de lentes se construyen mediante el examen de mapas de las fluctuaciones de temperatura del CMB. En regiones donde los fotones CMB se han desviado fuertemente, se imprime una firma sutil en la distribución de temperatura. Filtrando con cuidado el mapa de temperatura revela el patrón de lente a través del cielo.

Al medir la desviación promedio de los fotones CMB alrededor de los grupos, hemos mostrado cómo la cantidad de deflexión, y por lo tanto la masa total presente, incluida la materia oscura, depende del número de galaxias en el grupo. En efecto, estamos viendo la huella en el espacio-tiempo de los halos masivos de materia oscura.

Usar lentes gravitacionales para revelar las distorsiones en el espacio-tiempo alrededor de las galaxias y los cúmulos, y por lo tanto aprender algo sobre su distribución masiva, no es nuevo. Pero la mayoría de los estudios previos implican el lente de la luz proveniente de otras galaxias de fondo, en lugar del CMB.

Usar el CMB como fuente de luz ofrece enormes ventajas. Cuando la superficie de la última dispersión ilumina todos los objetos que se encuentran frente a ella, podemos examinar la relación entre las galaxias luminosas y las estructuras de materia oscura que habitan más atrás en la historia cósmica de lo que hasta ahora ha sido posible.

No solo las estructuras de materia oscura han estado evolucionando constantemente a través de la gravedad, sabemos que las propiedades de las galaxias, como sus tasas de formación de masas y estrellas, dependen en gran medida de su entorno a gran escala. Aún no entendemos completamente ese vínculo, pero las lentes CMB podrían en última instancia ayudarnos a descifrar cómo sucede.


Este artículo se publicó originalmente en The Conversation. Lea el artículo original.

James Geach recibe fondos de The Royal Society y es autor del libro Galaxy: Mapping The Cosmos.

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1 comentario - Tratando de comprender la materia obscura

pachoringuero

link: https://www.youtube.com/watch?v=uZePS07XzYs