Las lentes gravitacionales ayudan a identificar la materia oscura
Según el modelo cosmológico más ampliamente aceptado, la mayor parte de la masa de nuestro universo (alrededor del 85%) está compuesta por “materia oscura”. Se teoriza que esta masa elusiva e invisible interactúa con la materia «normal» (o «visible») solo por gravedad y no por campos electromagnéticos, sin absorber ni emitir luz (de ahí el nombre «oscuro»). La recherche de cette matière est en cours, avec des particules candidates, notamment des particules massives à faible interaction (WIMP) ou des bosons ultralégers (axions), qui se situent aux extrêmes opposés de l’échelle de masse et se comportent très différemment ( en teoría).
La existencia de esta materia es esencial para nuestras teorías prevalecientes de la gravedad (relatividad general) y la física de partículas (El modelo estándar) tener sentido. De lo contrario, es posible que tengamos que repensar radicalmente nuestras teorías sobre cómo se comporta la gravedad en la mayor de las escalas (también conocida como Gravedad alterada). Sin embargo, según nueva búsqueda realizado por la Universidad de Hong Kong (HKU), el estudio de «Anillos de Einstein«podría acercarnos a la comprensión de la materia oscura. Según su artículo, la forma en que la materia oscura altera la curvatura del espacio-tiempo deja huellas que sugieren que puede estar compuesta de axiones.
La investigación fue realizada por Alfredo Amruth, un doctorado estudiante de fisica en Laboratorio de investigación espacial (LSR) a HKU. A él se unieron investigadores de HKU-LSR, el Centro Internacional de Física de Donostia (DIPC), el Centro de Ciencias Fronterizas (SFC), el Centro de Investigación del Universo Temprano (RESCEU), la Instituto Kavli de Física y Matemáticas del Universo (IMPU), el Centro de Física Cosmológica de París (CPPC), la Instituto de Física de Cantabria (CSIC), el Centro de Astrofísica de Harvard y Smithsonian (CfA), el Universidad Nacional de Taiwán, y otras universidades e institutos. El artículo que describe sus hallazgos apareció recientemente en la revista astronomía natural.
Las teorías de la materia oscura surgieron en la década de 1960 para explicar la curva de rotación de las galaxias, que no parecía coherente con la cantidad de materia visible que contenían. Con el tiempo, astrónomos y cosmólogos han observado que las galaxias más distantes del Universo (las galaxias de fondo) están rodeadas de «halos» de este material. Estos «halos de materia oscura» doblan y amplifican la luz que los rodea, un fenómeno conocido como lente gravitacional, que produce características llamadas «anillos de Einstein», «cruces de Einstein» y otras formas y patrones extraños.
Este efecto es predicho por la teoría de la relatividad general de Einstein, donde la presencia de objetos masivos altera la curvatura del espacio-tiempo. Al estudiar cómo se distorsionan los anillos u otras imágenes de lentes, los astrofísicos esperan aprender más sobre las propiedades de la materia oscura. Para su estudio, Amruth y sus colegas observaron varios sistemas en los que las lentes gravitatorias hacían que la luz de galaxias distantes apareciera en diferentes lugares. En particular, examinaron SH 0810+2554un cuásar de cuatro lentes que nos parece como era hace unos 9 mil millones de años.
Usando un modelo detallado, calcularon cómo la materia oscura distorsionaría la luz de este cuásar distante en función de las dos partículas candidatas principales. Además de estar en extremos opuestos en términos de masa, también se cree que los WIMP y los axiones se comportan de manera radicalmente diferente. Si bien se supone que los WIMP se comportan como partículas discretas, se teoriza que los axiones se comportan más como ondas debido a la interferencia cuántica. Con base en estas características, el equipo probó para ver qué candidato producía lentes similares a las que se ven alrededor de HS 0810+2554 y otras galaxias de fondo.
Si bien el modelo de WIMP no fue consistente con las observaciones del equipo, el modelo de axión reprodujo con precisión todas las características observadas de este sistema. Al demostrar que pueden explicar las anomalías de las lentes y otros fenómenos astrofísicos, estos resultados podrían fortalecer el caso de los axiones como el principal candidato para la materia oscura. Si bien este estudio no ha terminado el debate sobre qué forma toma la materia oscura (WIMP o axiones) o si existe o no, presenta nuevas oportunidades para futuras pruebas y experimentos.
Estos hallazgos también se basan en investigaciones anteriores que apuntaban a los axiones como el candidato más probable para la materia oscura. Esto incluye un estudio publicado en 2017 donde un equipo de astrofísicos mexicanos y británicos utilizó la masa de galaxias esferoides enanas (DSG) cerca de la Vía Láctea para inferir la presencia de axiones. En 2018, un estudio realizado por el Instituto Dunlap de Astronomía y Astrofísica mostró cómo la luz del fondo cósmico de microondas (CMB) podría usarse para sondear la materia oscura axiónica.
Un estudio similar fue realizado recientemente por el Telescopio de Cosmología de Atacama (ACT), que utilizó la luz de fondo del CMB para crear un nuevo mapa de distribución de materia oscura. Si bien la existencia y la naturaleza de la materia oscura es un misterio persistente, los telescopios, instrumentos y observaciones de próxima generación están ayudando a los astrónomos a refinar la búsqueda. La mejora resultante en nuestra comprensión tendrá inmensas implicaciones para la cosmología, la física de partículas y nuestra comprensión de la creación del Universo.
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