Astronomía

Curvatura de materia oscura

Curvatura de materia oscura

¿La materia oscura afecta la curvatura del espacio-tiempo? Si es así, ¿cuál es la fórmula para calcular la curvatura del espacio-tiempo debido a la materia oscura?


Esta respuesta viene con una pequeña advertencia. La materia oscura real no se ha descubierto, por lo que esto es teórico, pero una teoría muy bien entendida.

Toda la materia, oscura o clara, afecta la curvatura del espacio-tiempo de la misma manera. La fórmula de la curvatura es la ecuación de campo de Einstein. La curvatura se define por el valor de una matriz de 4x4, denominada "tensor de energía de tensión". Que describe la densidad de energía y momento en el espacio-tiempo. A la fórmula no le importa si la energía y el impulso provienen de la materia regular o la materia oscura.


Sí, la misma ecuación que se usa para otros asuntos.

Marc Postman, Ray Villard y Donna Weaver del Space Telescope Science Institute publicaron los resultados de un estudio CLASH: "Comunicado de prensa 2011-25":

"Esta imagen del cúmulo de galaxias MACS J1206.2-0847 (o MACS 1206 para abreviar) es parte de una amplia encuesta con el Telescopio Espacial Hubble de la NASA.

Las formas distorsionadas en el cúmulo son galaxias distantes de las cuales la luz es desviada por la atracción gravitacional de un material invisible llamado materia oscura dentro del cúmulo de galaxias. Este cúmulo es un objetivo temprano en una encuesta que permitirá a los astrónomos construir los mapas de materia oscura más detallados de más cúmulos de galaxias que nunca.

En el sitio web de la NASA: "Un choque de grupos proporciona una nueva pista sobre la materia oscura":

"... esta imagen compuesta, hecha con datos del Observatorio de Rayos X Chandra del Telescopio Espacial Hubble, los investigadores han descubierto pistas para aumentar nuestro conocimiento de la materia oscura. Esta imagen es una poderosa colisión de cúmulos. Estos cúmulos muestran formaciones de materia oscura, donde se separó de la materia ordinaria. Las diferentes disparidades de color, junto con la interesante evidencia de la materia oscura ... ".

Otro artículo con la misma foto: "heic0818 - Science Release - Choque de clústeres proporciona una nueva pista de materia oscura":

"Nuevas observaciones de Hubble y Chandra del cúmulo conocido como MACSJ0025.4-1222 indican que una colisión titánica ha separado la materia oscura de la ordinaria. Esto proporciona una confirmación independiente de un efecto similar detectado previamente en un objetivo denominado Bullet Cluster, que muestra que Bullet Cluster no es un caso anómalo ".

Página web de Wikipedia sobre CLASH - Lente de clúster y encuesta de Supernova con Hubble.


La materia oscura puede ralentizar la rotación de la barra central de estrellas de la Vía Láctea

La Vía Láctea (ilustrada) contiene una barra central de estrellas (amarilla) que gira junto con la galaxia. Los investigadores informaron evidencia de que la barra se está ralentizando por la presencia de materia oscura.

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La materia oscura puede ser un verdadero lastre. La atracción de esa materia invisible no identificada en la Vía Láctea puede estar frenando la barra giratoria de estrellas en el corazón de la galaxia.

Basado en una técnica que recrea la historia de la desaceleración de una manera similar al análisis de los anillos de un árbol, la velocidad de la barra ha disminuido en al menos un 24 por ciento desde que se formó hace miles de millones de años, informan los investigadores en agosto. Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society.

Esa desaceleración es "otra evidencia indirecta pero importante de que la materia oscura es una cosa, no solo una conjetura, porque esto no puede suceder sin ella", dice el astrofísico Martin Weinberg de la Universidad de Massachusetts Amherst, que no estuvo involucrado con el estudio.

Muchas galaxias espirales, incluida la Vía Láctea, contienen una región central en forma de barra densamente poblada de estrellas y rodeada por los brazos en forma de remolino de la galaxia. El bar también tiene algunas groupies: una tripulación de estrellas atrapadas por la influencia gravitacional del bar. Esas estrellas orbitan un punto gravitacionalmente estable ubicado junto a la barra y más lejos del centro de la galaxia, conocido como punto de Lagrange (SN: 26/2/21).

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Si la rotación de la barra se ralentiza, crecerá en longitud y los tagalongs de la barra también se moverán hacia afuera. Mientras eso sucede, esa cohorte de parásitos reunirá estrellas adicionales. Según las simulaciones por computadora del proceso, esas estrellas adicionales deberían organizarse en capas en el exterior del grupo, dice el astrofísico Ralph Schönrich del University College London. Las capas de estrellas imprimen un registro del crecimiento del grupo. "En realidad, es como un árbol que puedes cortar en tu propia galaxia", dice.

Schönrich y el astrofísico Rimpei Chiba de la Universidad de Oxford estudiaron cómo cambiaba la composición de las estrellas en el grupo desde su borde exterior a sus capas más profundas. Los datos de la nave espacial Gaia de la Agencia Espacial Europea revelaron que las estrellas en las capas externas de la barra tendían a estar menos enriquecidas en elementos más pesados ​​que el helio que las estrellas en las capas internas. Eso es evidencia del grupo de estrellas que se mueven hacia afuera, como resultado de la desaceleración de la barra, dicen los investigadores. Eso es porque las estrellas en el centro de la galaxia, que se habrían adherido al grupo en el pasado más distante, tienden a estar más enriquecidas en elementos más pesados ​​que las que están más lejos.

La desaceleración de la barra sugiere que una fuerza gravitacional está actuando sobre ella, es decir, la atracción de la materia oscura en la galaxia. La materia normal por sí sola no sería suficiente para reducir la velocidad de la barra. "Si no hay materia oscura, la barra no se ralentizará", dice Chiba.

Pero los resultados han generado cierto escepticismo. “Desafortunadamente, esto todavía no me convence”, dice el astrofísico Isaac Shlosman de la Universidad de Kentucky en Lexington. Por ejemplo, duda de que realmente se produzca la estratificación de los anillos de los árboles. Es "difícil de creer que este sea el caso en un sistema realista" en contraposición a una simulación por computadora simplificada, dice.

Weinberg, por otro lado, dice que aunque el estudio se basa en una variedad de suposiciones, sospecha que es correcto. "Tiene el olor adecuado".

Preguntas o comentarios en este articulo? Envíenos un correo electrónico a [email protected]

Citas

R. Chiba y R. Schönrich. Estructura de anillos de árboles de resonancia de barra galáctica. Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society. Vol. 505, agosto de 2021, pág. 2412. doi: 10.1093 / mnras / stab1094.


La fuerza oscura que ralentiza secretamente nuestra galaxia podría ser materia oscura

Cuando algo salió mal en Guerra de las Galaxias, por lo general tenía que ver con el Lado Oscuro de la Fuerza, pero un fenómeno inexplicable en nuestra galaxia probablemente esté conectado con la materia oscura.

Algo sospechoso está sucediendo en una galaxia no muy, muy lejana. En el centro de la Vía Láctea se encuentra la corriente de estrellas Hércules. Su giro se está desacelerando misteriosamente, y lo que está sucediendo exactamente se ha predicho durante décadas sin suerte. Ahora finalmente se ha medido y posiblemente probado. Los astrofísicos Rimpei Chiba de la Universidad de Oxford y Ralph Schoenrich del University College London creen que han descubierto qué fuerza oscura está haciendo esto, y no son los Sith. La materia oscura aparentemente ha estado contrarrestando el giro y ralentizándolo.

Más materia oscura

Miles de millones de estrellas que suman billones de masas solares están atrapadas por una barra giratoria en el centro de la Vía Láctea. Chiba y Shoenrich, quienes recientemente publicaron un estudio en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, encontraron que el giro de esa barra se ha ralentizado a alrededor del 75% de lo que era cuando apareció por primera vez.

“El hallazgo no se esperaba”, dijeron a SYFY WIRE por correo electrónico Chiba, quien dirigió el estudio, y Shoenrich, quien fue coautor. "Las restricciones anteriores sobre la materia oscura se han concentrado principalmente en mapear el potencial gravitacional, pero la desaceleración de la barra que hemos cuantificado se vincula con la masa inercial (respuesta dinámica) de la materia oscura que toma el momento angular de la barra galáctica".

La materia oscura nunca antes se había medido por su masa inercial en lugar de por su energía gravitacional. La masa inercial es cuánto resiste un objeto a las fuerzas que actúan contra él, a diferencia de la masa gravitacional o la fuerza de la fuerza gravitacional entre objetos. La materia oscura ha ralentizado el giro de la barra galáctica a través de la fricción dinámica, o el arrastre que experimentan los objetos cuando orbitan a través de la materia oscura. La cantidad de este arrastre que retiene un objeto en movimiento depende de dónde se encuentran los grupos de materia oscura y la cantidad que se encuentra en una región determinada (distribución espacial), así como de la rapidez con que se mueven esas partículas, en cualquier lugar (distribución de velocidad).

El núcleo galáctico (derecha) de la Vía Láctea (izquierda). Crédito: NASA

Las estrellas en la corriente de Hércules quedan atrapadas gravitacionalmente por la barra giratoria y se moverán hacia afuera a medida que el giro de la barra se hace cada vez más lento. La prueba de que las estrellas de Hércules se alejaron de la barra mientras mantenían sus órbitas está en su química. Las estrellas que comenzaron en el núcleo galáctico están llenas de elementos más pesados, mientras que el núcleo es diez veces más rico en estos elementos que el halo. Estas estrellas están atrapadas en órbita alrededor de la resonancia, lo que ocurre cuando un cuerpo en órbita ejerce una influencia gravitacional constante sobre otro, pero aún pueden moverse hacia afuera.

“Dado que nuestra medición cuantifica la pérdida del momento angular de la barra, el hallazgo está en tensión con las teorías de la gravedad alternativa sin materia oscura, que tiene que tomar el momento angular perdido por la barra”, señalaron Chiba y Shoenrich. "No podemos ver una solución diferente para explicar esta pérdida de momento angular".

El equipo se ha encontrado con oposición a pesar de que su explicación es la única que tiene completamente sentido. Aunque la materia oscura sigue siendo tan oscura y misteriosa como parece, hay formas de inferirla hasta que la tecnología avance lo suficiente como para poder detectarla de otra manera. Algunos científicos han utilizado modelos que excluyen la materia oscura para mostrar por qué el giro de la barra galáctica se está desacelerando, pero el problema con estos es que terminan con poca o ninguna desaceleración como resultado. Otros que han propuesto modelos que involucran gravedad alternativa y solo algo de materia oscura no han visto los mismos resultados que Chiba, Shoenrich y su equipo de investigación.

"Puede verlo de esta manera: encontrar este nuevo tipo de evidencia de materia oscura es como encontrar una gran isla en el océano", dijeron. “Saber que está ahí es genial, pero para explorarlo y usarlo para un estudio más profundo, necesitas nuevas herramientas. Al final del camino, obtienes nuevas limitaciones en la historia galáctica y la oportunidad única de diferenciar entre diferentes modelos de materia oscura ".

Lo siento Vader, pero incluso el poder del Lado Oscuro probablemente no tiene nada que ver con la fuerza de toda la materia oscura del universo.


Densidad de materia oscura

Como se anuncia, los picos acústicos en el espectro de potencia son sensibles a la densidad de materia oscura en el universo. (Formalmente, la relación materia / radiación, pero la densidad de radiación se fija en el modelo estándar).

A medida que aumentamos la densidad física de la materia oscura, W metro h 2, el efecto impulsor desaparece en un pico dado de modo que su amplitud disminuye. Aunque este efecto cambia las alturas de todos los picos, solo es separable de los efectos bariónicos con al menos tres picos. Tenga en cuenta que la disminución de la densidad de la materia también afecta la carga de bariones, ya que los pozos potenciales de materia oscura desaparecen sin dejar nada para que caigan los bariones. Tener un tercer pico que se eleva a una altura comparable o superior al segundo pico es una indicación de que la materia oscura dominaba la densidad de materia en el plasma antes de la recombinación. Tenga en cuenta que la autogravedad de los fotones y bariones todavía juega un papel en el primer y segundo picos, por lo que el tercer pico es la prueba más limpia de este comportamiento.

Observe también que la ubicación de los picos, y la del primer pico en particular, cambia a medida que cambiamos la densidad de materia oscura. La relación materia / radiación también controla la edad del universo en el momento de la recombinación y, por lo tanto, la distancia que puede viajar el sonido en relación con la distancia que viaja la luz después de la recombinación. Ésta es la ambigüedad de orden principal en la medición de la curvatura espacial del universo. Vemos aquí que esa ambigüedad se resolverá cuando se midan con precisión al menos tres picos.


Resuelto: el misterio de cómo se distribuye la materia oscura en las galaxias

Materia oscura en dos galaxias simuladas en una computadora. La única diferencia entre ellos es la naturaleza de la materia oscura. Sin colisiones a la izquierda y con colisiones a la derecha. El trabajo sugiere que la materia oscura en las galaxias reales se parece más a la imagen de la derecha, menos grumosa y más difusa que la de la izquierda. El círculo marca el final de la galaxia. Crédito: Imagen tomada del artículo Brinckmann et al. 2018, Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society, 474, 746.

La fuerza gravitacional en el Universo bajo la cual ha evolucionado desde un estado casi uniforme en el Big Bang hasta ahora, cuando la materia se concentra en galaxias, estrellas y planetas, es proporcionada por lo que se denomina 'materia oscura'. Pero a pesar de la papel esencial que juega este material extra, no sabemos casi nada sobre su naturaleza, comportamiento y composición, que es uno de los problemas básicos de la física moderna. En un artículo reciente en Cartas de Astronomía y Astrofísica, científicos del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) / Universidad de La Laguna (ULL) y de la Universidad Nacional del Noroeste de la Provincia de Buenos Aires (Junín, Argentina) han demostrado que la materia oscura en las galaxias sigue una distribución de "máxima entropía", que arroja luz sobre su naturaleza.

La materia oscura constituye el 85% de la materia del Universo, pero su existencia se manifiesta solo en escalas astronómicas. Es decir, debido a su débil interacción, el efecto neto solo se puede notar cuando está presente en grandes cantidades. Como se enfría solo con dificultad, las estructuras que forma son generalmente mucho más grandes que los planetas y las estrellas. Dado que la presencia de materia oscura solo se manifiesta a gran escala, el descubrimiento de su naturaleza probablemente deba realizarse mediante estudios astrofísicos.

Decir que la distribución de la materia oscura está organizada de acuerdo con la entropía máxima (que es equivalente a 'desorden máximo' o 'equilibrio termodinámico') significa que se encuentra en su estado más probable. Para alcanzar este 'desorden máximo', la materia oscura debe haber chocado dentro de sí misma, como lo hacen las moléculas de gas, para alcanzar un equilibrio en el que su densidad, presión y temperatura están relacionadas. Sin embargo, no sabemos cómo la materia oscura ha alcanzado este tipo de equilibrio.

“A diferencia de las moléculas en el aire, por ejemplo, debido a que la acción gravitacional es débil, las partículas de materia oscura difícilmente deben chocar entre sí, por lo que el mecanismo por el cual alcanzan el equilibrio es un misterio”, dice Jorge Sánchez Almeida, investigador del IAC. quien es el primer autor del artículo. "Sin embargo, si chocaran entre sí, esto les daría una naturaleza muy especial, que resolvería en parte el misterio de su origen", agrega.

La entropía máxima de la materia oscura se ha detectado en las galaxias enanas, que tienen una proporción más alta de materia oscura con respecto a la materia total que las galaxias más masivas, por lo que es más fácil ver el efecto en ellas. Sin embargo, los investigadores esperan que sea un comportamiento general en todo tipo de galaxias.

El estudio implica que la distribución de la materia en equilibrio termodinámico tiene una densidad central mucho menor que la que los astrónomos han asumido para muchas aplicaciones prácticas, como en la interpretación correcta de lentes gravitacionales, o al diseñar experimentos para detectar materia oscura por su autoaniquilación.

Esta densidad central es básica para la correcta interpretación de la curvatura de la luz mediante lentes gravitacionales: si es menos densa el efecto de la lente es menor. Para usar una lente gravitacional para medir la masa de una galaxia, se necesita un modelo, si este modelo se cambia, la medida cambia.

La densidad central también es muy importante para los experimentos que intentan detectar la materia oscura utilizando su autoaniquilación. Dos partículas de materia oscura podrían interactuar y desaparecer en un proceso altamente improbable, pero que sería característico de su naturaleza. Para que dos partículas interactúen, deben chocar. La probabilidad de esta colisión depende de la densidad de la materia oscura. Cuanto mayor es la concentración de materia oscura, mayor es la probabilidad de que las partículas choquen.

"Por esa razón, si la densidad cambia, también lo hará la tasa de producción esperada de las autoaniquilaciones, y dado que los experimentos están diseñados sobre la predicción de una tasa determinada, si esta tasa fuera muy baja, es poco probable que el experimento produzca una Resultado positivo ”, dice Sánchez Almeida.

Finalmente, el equilibrio termodinámico de la materia oscura también podría explicar el perfil de brillo de las galaxias. Este brillo cae con la distancia del centro de una galaxia de una forma concreta, cuyo origen físico se desconoce, pero por lo que los investigadores están trabajando para demostrar que es el resultado de un equilibrio con máxima entropía.

Simulación versus observación

La densidad de la materia oscura en los centros de las galaxias ha sido un misterio durante décadas. Existe una fuerte discrepancia entre las predicciones de las simulaciones (una alta densidad) y lo que se observa (un valor bajo). Los astrónomos han propuesto muchos tipos de mecanismos para resolver este importante desacuerdo.

En este artículo, los investigadores han demostrado, utilizando principios físicos básicos, que las observaciones se pueden reproducir asumiendo que la materia oscura está en equilibrio, es decir, que tiene la máxima entropía. Las consecuencias de este resultado podrían ser muy importantes porque indican que la materia oscura ha intercambiado energía consigo misma y / o con la materia "normal" restante (bariónica).

"El hecho de que se haya alcanzado el equilibrio en tan poco tiempo, en comparación con la edad del Universo, podría ser el resultado de un tipo de interacción entre la materia oscura y la materia normal además de la gravedad", sugiere Ignacio Trujillo, investigador del IAC. y coautor de este artículo. "Es necesario explorar la naturaleza exacta de este mecanismo, pero las consecuencias podrían ser fascinantes para comprender qué es este componente que domina la cantidad total de materia en el Universo".


Nuevo experimento para investigar las interacciones de la materia oscura

Este esquema muestra el movimiento de un púlsar que cae en el campo gravitacional de la Vía Láctea. La flecha amarilla indica movimiento debido a la gravedad de la materia normal, mientras que la flecha blanca muestra el movimiento causado por la materia oscura dentro y alrededor de la galaxia. Un nuevo experimento está diseñado para averiguar si una posible & # 8220 quinta fuerza & # 8221 está trabajando con la gravedad generada por la materia oscura. Imagen: R. Hurt (SSC), JPL-Caltech, NASA e imagen de pulsar de la NASA

Alrededor de 1600, los experimentos de Galileo Galilei lo llevaron a la conclusión de que en el campo gravitacional de la Tierra todos los cuerpos, independientemente de su masa y composición, sienten la misma aceleración. Isaac Newton realizó experimentos de péndulo con diferentes materiales con el fin de verificar la llamada universalidad de la caída libre y alcanzó una precisión de 1: 1000. Más recientemente, el experimento del satélite MICROSCOPE logró confirmar la universalidad de la caída libre en el campo gravitacional de la Tierra con una precisión de 1: 100 billones.

Sin embargo, este tipo de experimentos solo pudieron probar la universalidad de la caída libre hacia la materia ordinaria, como la propia Tierra, cuya composición está dominada por hierro (32%), oxígeno (30%), silicio (15%) y magnesio (14%). ). Sin embargo, a gran escala, la materia ordinaria parece ser solo una pequeña fracción de materia y energía en el universo.

Se cree que la llamada materia oscura representa aproximadamente el 80% de la materia en nuestro Universo. Hasta el día de hoy, la materia oscura no se ha observado directamente. Su presencia solo se infiere indirectamente a partir de varias observaciones astronómicas como la rotación de las galaxias, el movimiento de los cúmulos de galaxias y las lentes gravitacionales. La naturaleza real de la materia oscura es una de las cuestiones más destacadas de la ciencia moderna. Muchos físicos creen que la materia oscura está formada por partículas subatómicas no descubiertas hasta ahora.

Con la naturaleza desconocida de la materia oscura surge otra pregunta importante: ¿es la gravedad la única interacción de largo alcance entre la materia normal y la materia oscura? En otras palabras, ¿la materia solo siente la curvatura del espacio-tiempo causada por la materia oscura, o hay otra fuerza que atrae la materia hacia la materia oscura, o tal vez incluso la aleja y, por lo tanto, reduce la atracción general entre la materia normal y la materia oscura? Eso implicaría una violación de la universalidad de la caída libre hacia la materia oscura. Esta fuerza hipotética a veces se etiqueta como "quinta fuerza", además de las bien conocidas cuatro interacciones fundamentales en la naturaleza (gravitación, interacción electromagnética y débil, interacción fuerte).

En la actualidad, hay varios experimentos que establecen límites estrictos para esa quinta fuerza que se origina en la materia oscura. Uno de los experimentos más estrictos utiliza la órbita Tierra-Luna y prueba una aceleración anómala hacia el centro galáctico, es decir, el centro del halo esférico de materia oscura de nuestra galaxia. La alta precisión de este experimento proviene del Lunar Laser Ranging, donde la distancia a la Luna se mide con precisión centimétrica haciendo rebotar pulsos láser de los retro reflectores instalados en la Luna.

Hasta hoy, nadie ha realizado una prueba de quinta fuerza con un objeto exótico como una estrella de neutrones. "Hay dos razones por las que los púlsares binarios abren una forma completamente nueva de probar una quinta fuerza entre la materia normal y la materia oscura", dice Lijing Shao del Instituto Max Planck de Radioastronomía (MPIfR) en Bonn, Alemania, la primera autor de la publicación en “Physical Review Letters”. “Primero, una estrella de neutrones consiste en materia que no se puede construir en un laboratorio, muchas veces más densa que un núcleo atómico y que consiste casi en su totalidad en neutrones. Además, los enormes campos gravitacionales dentro de una estrella de neutrones, mil millones de veces más fuertes que el del Sol, podrían en principio mejorar enormemente la interacción con la materia oscura ”.

La órbita de un púlsar binario se puede obtener con alta precisión midiendo el tiempo de llegada de las señales de radio del púlsar con radiotelescopios. Para algunos púlsares, se puede lograr una precisión mejor que 100 nanosegundos, lo que corresponde a una determinación de la órbita del púlsar con una precisión mejor que 30 metros.

Para probar la universalidad de la caída libre hacia la materia oscura, el equipo de investigación identificó un púlsar binario particularmente adecuado, llamado PSR J1713 + 0747, que se encuentra a una distancia de unos 3800 años luz de la Tierra. Este es un púlsar de milisegundos con un período de rotación de solo 4,6 milisegundos y es uno de los rotadores más estables entre la población de púlsares conocida. Además, se encuentra en una órbita casi circular de 68 días con una compañera enana blanca.

Si bien los astrónomos de púlsares generalmente están interesados ​​en púlsares binarios estrechos con movimiento orbital rápido cuando prueban la relatividad general, los investigadores ahora buscaban un púlsar de milisegundos que se moviera lentamente en una órbita amplia. Cuanto más amplia es la órbita, más sensible reacciona a una violación de la universalidad de la caída libre. Si el púlsar siente una aceleración hacia la materia oscura diferente a la del compañero enano blanco, se debería ver una deformación de la órbita binaria con el tiempo, es decir, un cambio en su excentricidad.

“Más de 20 años de cronometraje regular de alta precisión con Effelsberg y otros radiotelescopios del European Pulsar Timing Array y los proyectos norteamericanos de cronometraje de púlsar NANOGrav demostraron con alta precisión que no hay cambios en la excentricidad de la órbita”, explica Norbert Wex. , también de MPIfR. "Esto significa que, en gran medida, la estrella de neutrones siente el mismo tipo de atracción hacia la materia oscura que hacia otras formas de materia estándar".

"Para mejorar aún más estas pruebas, estamos buscando púlsares adecuados cerca de grandes cantidades de materia oscura esperada", dice Michael Kramer, director de MPIfR y jefe de su grupo de investigación "Física fundamental en radioastronomía". “El lugar ideal es el centro galáctico donde usamos Effelsberg y otros telescopios en el mundo para echar un vistazo como parte de nuestro proyecto Black Hole Cam. Una vez que tengamos la matriz de kilómetros cuadrados, podremos hacer esas pruebas súper precisas ”, concluye.


Nuevo mapa de materia oscura revela misterio cósmico

Los resultados son una sorpresa porque muestran que es un poco más suave y más extendido de lo que predicen las mejores teorías actuales.

La observación parece desviarse de la teoría de la relatividad general de Einstein, lo que plantea un enigma para los investigadores.

Los resultados han sido publicados por Dark Energy Survey Collaboration.

La Materia Oscura es una sustancia invisible que impregna el espacio. Representa el 80% de la materia del Universo.

Los astrónomos pudieron averiguar dónde estaba porque distorsiona la luz de las estrellas distantes. Cuanto mayor sea la distorsión, mayor será la concentración de materia oscura.

El Dr. Niall Jeffrey, de École Normale Supérieure, en París, quien reconstruyó el mapa, dijo que el resultado planteaba un "problema real" para la física.

"Si esta disparidad es cierta, entonces tal vez Einstein estaba equivocado", le dijo a BBC News. "Se podría pensar que esto es algo malo, que tal vez la física no funciona". Pero para un físico, es extremadamente emocionante. Significa que podemos descubrir algo nuevo sobre la forma en que realmente es el Universo.

El profesor Carlos Frenk, de la Universidad de Durham, quien fue uno de los científicos que se basó en el trabajo de Albert Einstein y otros para desarrollar la teoría cosmológica actual, dijo que tenía emociones encontradas al escuchar la noticia.

"Pasé mi vida trabajando en esta teoría y mi corazón me dice que no quiero verla colapsar". Pero mi cerebro me dice que las mediciones eran correctas y tenemos que considerar la posibilidad de una nueva física ", dijo el profesor Frenk.

Entonces mi estómago se encoge, porque no tenemos bases sólidas que explorar porque no tenemos una teoría de la física que nos oriente. Me pone muy nerviosa y temerosa, porque estamos entrando en un dominio completamente desconocido y quién sabe lo que nos vamos a encontrar & quot.

Usando el telescopio Víctor M Blanco en Chile, el equipo detrás del nuevo trabajo analizó 100 millones de galaxias.

El mapa muestra cómo la materia oscura se extiende por el Universo. Las áreas negras son vastas áreas de la nada, llamadas vacíos, donde las leyes de la física pueden ser diferentes. Las áreas brillantes son donde se concentra la materia oscura. Se llaman "halos" porque justo en el centro es donde existe nuestra realidad. En medio de ellos hay galaxias como nuestra propia Vía Láctea, brillando intensamente como pequeñas gemas en una vasta red cósmica.

Según el Dr. Jeffrey, que también forma parte de un departamento del University College London, el mapa muestra claramente que las galaxias son parte de una estructura invisible más grande.

“Nadie en la historia de la humanidad ha podido mirar al espacio y ver dónde está la materia oscura hasta tal punto. Los astrónomos han podido crear imágenes de pequeños parches, pero hemos revelado vastas franjas nuevas que muestran mucho más de su estructura. Por primera vez podemos ver el Universo de una manera diferente & quot.

Pero el nuevo mapa de materia oscura no muestra exactamente lo que esperaban los astrónomos. Tienen una idea precisa de la distribución de la materia 350.000 años después del Big Bang, desde un observatorio orbital de la Agencia Espacial Europea llamado Planck. Midió la radiación aún presente desde ese momento, llamado fondo cósmico de microondas, o más poéticamente, el & quotafterglow de la creación & quot.

Basándose en las ideas de Einstein, astrónomos, como el profesor Frenk, desarrollaron un modelo para calcular cómo debería dispersarse la materia durante los próximos 13.800 millones de años hasta el día de hoy. Pero las observaciones reales del nuevo mapa están fuera de lugar en un pequeño porcentaje: muestra que la materia está ligeramente distribuida de manera demasiado uniforme.

Como resultado, el profesor Frenk cree que puede haber grandes cambios en marcha en nuestra comprensión del cosmos.

“Es posible que hayamos descubierto algo realmente fundamental sobre la estructura del Universo. La teoría actual se basa en pilares muy esquemáticos hechos de arena. Y lo que quizás estemos viendo es el colapso de uno de esos pilares ''.

Pero otros, como el profesor Ofer Lahav, del University College London, tienen una visión más conservadora.

“La gran pregunta es si la teoría de Einstein es perfecta. Parece pasar todas las pruebas, pero con algunas desviaciones aquí y allá. Quizás la astrofísica de las galaxias solo necesite algunos ajustes. En la historia de la cosmología hay ejemplos en los que los problemas desaparecieron, pero también ejemplos en los que el pensamiento cambió. Será fascinante ver si la actual & # x27tensión & # x27 en Cosmología conducirá a un nuevo cambio de paradigma '', dijo.

La colaboración DES consta de más de 400 científicos de 25 instituciones en siete países.


2 respuestas 2

Hay muchas formas locas de modificar la gravedad con la esperanza de explicar la materia oscura, pero el punto es que ninguna de estas modificaciones ha funcionado hasta ahora. Ninguno de ellos describe adecuadamente nuestras observaciones (esto es lo que más debería preocuparnos), y la mejor opción actual es CDM simple. Si quiere proponer algo más, realmente necesita tener una teoría sólida y consistente que haga predicciones específicas y también encaja con la observación.

Su afirmación / pregunta, "dime por qué está mal" no es una buena forma de expresar las cosas. Realmente necesita presentar una teoría y calcular lo que predice, en lugar de tener una idea vaga y pedir a otros que la falsifiquen. La gente trabaja en una gran cantidad de ideas, la razón por la que no todas son aceptadas como correctas a priori es porque no se ha demostrado que lo sean. La carga de la prueba recae en la persona que presenta nuevas ideas, no en el resto de la comunidad científica para demostrar que están equivocadas *.

No entiendo por qué Dark Matter o MOND / "la gravedad funciona de manera diferente en escalas más grandes" son las únicas opciones para explicar los datos de observación.

¿Se pregunta por qué la teoría X funciona para ajustar los datos pero la teoría Y no? Esto suena más a una pregunta filosófica.

---Editar---
Por último, para enlazar con su segunda pregunta, conocemos los grados de libertad de propagación en GR: hay 2 de ellos, los dos modos tensoriales (dos polarizaciones de ondas gravitacionales). Los entendemos bastante bien, especialmente desde la detección de ondas gravitacionales. No se comportan de la manera que parece estar describiendo aquí.

En las modificaciones, puede tener más grados de libertad de propagación y / o modos escalares / vectoriales, pero estos ya están bastante restringidos, como por el CMB. En términos de todo el panorama de posibles teorías y sus predicciones, no estoy seguro de que nadie pueda descartar cosas que se comportan como materia oscura de alguna manera, pero que aún no se han presentado de manera convincente.

* Por supuesto que la gente pasa mucho tiempo encontrando problemas e inconsistencias en las teorías físicas, pero no estamos hablando de eso aquí.


La materia oscura está frenando el giro de la barra galáctica de la Vía Láctea

El giro de la barra galáctica de la Vía Láctea, que está formada por miles de millones de estrellas agrupadas, se ha ralentizado en aproximadamente una cuarta parte desde su formación, según un nuevo estudio realizado por investigadores del University College London y la Universidad de Oxford.

University College de Londres

IMAGEN: Artist's conception of the Milky Way galaxy. ver más

The spin of the Milky Way's galactic bar, which is made up of billions of clustered stars, has slowed by about a quarter since its formation, according to a new study by researchers at University College London (UCL) and the University of Oxford.

For 30 years, astrophysicists have predicted such a slowdown, but this is the first time it has been measured.

The researchers say it gives a new type of insight into the nature of dark matter, which acts like a counterweight slowing the spin.

In the study, published in the Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society, researchers analysed Gaia space telescope observations of a large group of stars, the Hercules stream, which are in resonance with the bar - that is, they revolve around the galaxy at the same rate as the bar's spin.

These stars are gravitationally trapped by the spinning bar. The same phenomenon occurs with Jupiter's Trojan and Greek asteroids, which orbit Jupiter's Lagrange points (ahead and behind Jupiter). If the bar's spin slows down, these stars would be expected to move further out in the galaxy, keeping their orbital period matched to that of the bar's spin.

The researchers found that the stars in the stream carry a chemical fingerprint - they are richer in heavier elements (called metals in astronomy), proving that they have travelled away from the galactic centre, where stars and star-forming gas are about 10 times as rich in metals compared to the outer galaxy.

Using this data, the team inferred that the bar - made up of billions of stars and trillions of solar masses - had slowed down its spin by at least 24% since it first formed.

Co-author Dr Ralph Schoenrich (UCL Physics & Astronomy) said: "Astrophysicists have long suspected that the spinning bar at the centre of our galaxy is slowing down, but we have found the first evidence of this happening.

"The counterweight slowing this spin must be dark matter. Until now, we have only been able to infer dark matter by mapping the gravitational potential of galaxies and subtracting the contribution from visible matter.

"Our research provides a new type of measurement of dark matter - not of its gravitational energy, but of its inertial mass (the dynamical response), which slows the bar's spin."

Co-author and PhD student Rimpei Chiba, of the University of Oxford, said: "Our finding offers a fascinating perspective for constraining the nature of dark matter, as different models will change this inertial pull on the galactic bar.

"Our finding also poses a major problem for alternative gravity theories - as they lack dark matter in the halo, they predict no, or significantly too little slowing of the bar."

The Milky Way, like other galaxies, is thought to be embedded in a 'halo' of dark matter that extends well beyond its visible edge.

Dark matter is invisible and its nature is unknown, but its existence is inferred from galaxies behaving as if they were shrouded in significantly more mass than we can see. There is thought to be about five times as much dark matter in the Universe as ordinary, visible matter.

Alternative gravity theories such as modified Newtonian dynamics reject the idea of dark matter, instead seeking to explain discrepancies by tweaking Einstein's theory of general relativity.

The Milky Way is a barred spiral galaxy, with a thick bar of stars in the middle and spiral arms extending through the disc outside the bar. The bar rotates in the same direction as the galaxy.

The research received support from the Royal Society, the Takenaka Scholarship Foundation, and the Science and Technology Facilities Council (STFC).

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A New Experiment to Understand Dark Matter

Is dark matter a source of a yet unknown force in addition to gravity? The mysterious dark matter is little understood and trying to understand its properties is an important challenge in modern physics and astrophysics. Researchers at the Max Planck Institute for Radio Astronomy in Bonn, Germany, have proposed a new experiment that makes use of super-dense stars to learn more about the interaction of dark matter with standard matter. This experiment already provides some improvement in constraining dark matter properties, but even more progress is promised by explorations in the centre of our Milky Way that are underway.

The findings are published in the journal Physical Review Letters (2018 June 15 issue).

Schematic image of a pulsar, falling in the gravitational field of the Milky Way. The two arrows indicate the direction . [más]

Schematic image of a pulsar, falling in the gravitational field of the Milky Way. The two arrows indicate the direction of the attractive forces, towards the standard matter - stars, gas, etc. (yellow arrow) and towards the spherical distribution of dark matter (grey arrow). The question is, whether dark matter attracts the pulsar only by gravity or, in addition to gravity, by a yet unknown „fifth force“?

Schematic image of a pulsar, falling in the gravitational field of the Milky Way. The two arrows indicate the direction of the attractive forces, towards the standard matter - stars, gas, etc. (yellow arrow) and towards the spherical distribution of dark matter (grey arrow). The question is, whether dark matter attracts the pulsar only by gravity or, in addition to gravity, by a yet unknown „fifth force“?

Around 1600, Galileo Galilei’s experiments brought him to the conclusion that in the gravitational field of the Earth all bodies, independent of their mass and composition feel the same acceleration. Isaac Newton performed pendulum experiments with different materials in order to verify the so-called universality of free fall and reached a precision of 1:1000. More recently, the satellite experiment MICROSCOPE managed to confirm the universality of free fall in the gravitational field of the Earth with a precision of 1:100 trillion.

These kind of experiments, however, could only test the universality of free fall towards ordinary matter, like the Earth itself whose composition is dominated by iron (32%), oxygen (30%), silicon (15%) and magnesium (14%). On large scales, however, ordinary matter seems to be only a small fraction of matter and energy in the universe.

It is believed that the so-called dark matter accounts for about 80% of the matter in our Universe. Until today, dark matter has not been observed directly. Its presence is only indirectly inferred from various astronomical observations like the rotation of galaxies, the motion of galaxy clusters, and gravitational lenses. The actual nature of dark matter is one of the most prominent questions in modern science. Many physicists believe that dark matter consists of so far undiscovered sub-atomic particles.

With the unknown nature of dark matter another important question arises: is gravity the only long-range interaction between normal matter and dark matter? In other words, does matter only feel the space-time curvature caused by dark matter, or is there another force that pulls matter towards dark matter, or maybe even pushes it away and thus reduces the overall attraction between normal matter and dark matter. That would imply a violation of the universality of free fall towards dark matter. This hypothetical force is sometimes labeled as “fifth force”, besides the well-known four fundamental interactions in nature (gravitation, electromagnetic & weak interaction, strong interaction).

At present, there are various experiments setting tight limits on such a fifth force originating from dark matter. One of the most stringent experiments uses the Earth-Moon orbit and tests for an anomalous acceleration towards the Galactic center, i.e. the center of the spherical dark matter halo of our Galaxy. The high precision of this experiment comes from Lunar Laser Ranging, where the distance to the Moon is measured with centimeter precision by bouncing laser pulses of the retro reflectors installed on the Moon.

Until today, nobody has conducted such a fifth force test with an exotic object like a neutron star. “There are two reasons that binary pulsars open up a completely new way of testing for such a fifth force between normal matter and dark matter”, says Lijing Shao from the Max Planck Institute for Radio Astronomy (MPIfR) in Bonn, Germany, the first author of the publication in “Physical Review Letters”. “First, a neutron star consists of matter which cannot be constructed in a laboratory, many times denser than an atomic nucleus and consisting nearly entirely of neutrons. Moreover, the enormous gravitational fields inside a neutron star, billion times stronger than that of the Sun, could in principle greatly enhance the interaction with dark matter.”

The orbit of a binary pulsar can be obtained with high precision by measuring the arrival time of the radio signals of the pulsar with radio telescopes. For some pulsars, a precision of better than 100 nanoseconds can be achieved, corresponding to a determination of the pulsar orbit with a precision better than 30 meters.

To test the universality of free fall towards dark matter, the research team identified a particularly suitable binary pulsar, named PSR J1713+0747, which is at a distance of about 3800 light years from the Earth. This is a millisecond pulsar with a rotational period of just 4.6 milliseconds and is one of the most stable rotators amongst the known pulsar population. Moreover, it is in a nearly circular 68-day orbit with a white dwarf companion.

While pulsar astronomers usually are interested in tight binary pulsars with fast orbital motion when testing general relativity, the researchers were now looking for a slowly moving millisecond pulsar in a wide orbit. The wider the orbit, the more sensitive it reacts to a violation of the universality of free fall. If the pulsar feels a different acceleration towards dark matter than the white dwarf companion, one should see a deformation of the binary orbit over time, i.e. a change in its eccentricity.

“More than 20 years of regular high precision timing with Effelsberg and other radio telescopes of the European Pulsar Timing Array and the North American NANOGrav pulsar timing projects showed with high precision that there is no change in the eccentricity of the orbit”, explains Norbert Wex, also from MPIfR. “This means that to a high degree the neutron star feels the same kind of attraction towards dark matter as towards other forms of standard matter.”

“To make these tests even better, we are busily searching for suitable pulsars near large amounts of expected dark matter”, says Michael Kramer, director at MPIfR and head of its “Fundamental Physics in Radio Astronomy” research group. “The ideal place is the Galactic centre where we use Effelsberg and other telescopes in the world to have a look as part of our Black Hole Cam project. Once we will have the Square Kilometre Array, we can make those tests super-precise”, he concludes.

BlackHoleCam is an ERC-funded Synergy project to finally image, measure and understand astrophysical black holes. Its principal investigators, Heino Falcke, Michael Kramer and Luciano Rezzolla, test fundamental predictions of Einstein’s theory of General Relativity. The BlackHoleCam team members are active partners of the global Event Horizon Telescope Consortium (EHTC).