Los ‘anillos de Einstein’ resuelven el debate sobre la materia oscura

Un nuevo estudio indica que la materia oscura se comporta más como una onda que como una partícula.

27 abril 2023

Los físicos creen que la mayor parte de la materia del universo está compuesta por una sustancia invisible que solo conocemos por sus efectos indirectos en las estrellas y galaxias que podemos ver. Sin esta " materia oscura ", el universo tal como lo vemos no tendría sentido. Pero la naturaleza de la materia oscura es un enigma de larga data. Sin embargo, un nuevo estudio de Alfred Amruth en la Universidad de Hong Kong, publicado en Nature Astronomy , utiliza la flexión gravitacional de la luz para acercarnos un poco más a la comprensión.

Anillo de EinsteinAnillo de Einstein. Crédito: IAC

Invisible pero omnipresente

La razón por la que pensamos que existe la materia oscura es que podemos ver los efectos de su gravedad en el comportamiento de las galaxias . Específicamente, la materia oscura parece constituir alrededor del 85 % de la masa del universo, y la mayoría de las galaxias distantes que podemos ver parecen estar rodeadas por un halo de la sustancia misteriosa que provoca la flexión de la luz, creando anillos brillantes alrededor de ellas. Este fenómeno es denominado "anillos de Einstein" porque se explica mediante la teoría de relatividad general y puede ser provocado por la materia oscura.

Pero se llama materia oscura porque no emite luz, ni la absorbe ni la refleja, lo que la hace increíblemente difícil de detectar. Entonces, ¿qué es esto? Debe ser algún tipo de partícula fundamental desconocida. Todos los intentos de detectar partículas de materia oscura en experimentos de laboratorio hasta ahora han fracasado y los físicos han estado debatiendo su naturaleza durante décadas.

Los científicos han propuesto dos hipotéticos candidatos principales para la materia oscura: caracteres relativamente pesados llamados partículas masivas de interacción débil (o WIMP) y partículas extremadamente livianas llamadas axiones. En teoría, los WIMP se comportarían como partículas discretas, mientras que los axiones se comportarían mucho más como ondas debido a la interferencia cuántica.

Ha sido difícil distinguir entre estas dos posibilidades, pero ahora la luz dirigida alrededor de galaxias distantes ha ofrecido una pista.

galaxiasCúmulo de galaxias. Crédito: astromia

Lentes gravitacionales y anillos de Einstein

Cuando la luz que viaja a través del universo pasa por un objeto masivo como una galaxia, su camino se desvía porque, según la teoría general de la relatividad de Albert Einstein , la gravedad del objeto masivo distorsiona el espacio y el tiempo a su alrededor.

Como resultado, a veces, cuando miramos una galaxia lejana, podemos ver imágenes distorsionadas de otras galaxias detrás de ella. Y si las cosas se alinean perfectamente, la luz de la galaxia de fondo se esparcirá en un círculo alrededor de la galaxia más cercana.

Esta distorsión de la luz se llama " lente gravitacional ", y los círculos son los "anillos de Einstein". Al estudiar cómo se distorsionan los anillos u otras imágenes de lentes, los astrónomos pueden aprender sobre las propiedades del halo de materia oscura que rodea la galaxia más cercana.

Axiones frente a WIMP

Y eso es exactamente lo que han hecho Amruth y su equipo en su nuevo estudio. Observaron varios sistemas en los que se veían varias copias del mismo objeto de fondo alrededor de la galaxia de lente en primer plano, con un enfoque especial.

Usando un modelo detallado, calcularon cómo se distorsionarían las imágenes si la materia oscura estuviera hecha de WIMP frente a cómo lo harían si la materia oscura estuviera hecha de axiones. El modelo WIMP no se parecía mucho al modelo real, pero el modelo axion reproducía con precisión todas las características del sistema.

El resultado sugiere que los axiones son un candidato más probable para la materia oscura, y su capacidad para explicar las anomalías de las lentes y otras observaciones astrofísicas tiene a los científicos entusiasmados.

Partículas y galaxias

La nueva investigación se basa en estudios previos que también han señalado a los axiones como la forma más probable de materia oscura. Por ejemplo, un estudio analizó los efectos de la materia oscura del axión en el fondo cósmico de microondas , mientras que otro examinó el comportamiento de la materia oscura en las galaxias enanas.

Aunque esta investigación aún no terminará con el debate científico sobre la naturaleza de la materia oscura, abre nuevas vías para probar y experimentar. Por ejemplo, las futuras observaciones de lentes gravitacionales podrían usarse para probar la naturaleza ondulatoria de los axiones y medir potencialmente su masa.

Una mejor comprensión de la materia oscura tendrá implicaciones para lo que sabemos sobre la física de partículas y el universo primitivo. También podría ayudarnos a comprender mejor cómo se forman y cambian las galaxias con el tiempo.

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