Los investigadores de la Universidad de Newcastle utilizaron los conocimientos adquiridos en el estudio de los condensados atómicos ultrafríos de Bose Einstein para analizar el comportamiento de la materia oscura difusa, un nuevo modelo para la materia oscura cosmológica que recientemente llamó la atención de los cosmólogos.
Descubrieron que el estado físico del núcleo de los halos de materia oscura difusa, las estructuras unidas gravitacionalmente en las que se cree que se forman galaxias como la nuestra, es el mismo que el de los condensados de Bose-Einstein (BEC) formados en trampas atómicas de laboratorio.
El equipo interdisciplinario también descubrió que la materia oscura difusa que rodea los núcleos del halo se encuentra en un estado turbulento, con vórtices y fluctuaciones que inhiben la coherencia en todo el halo. Estas propiedades distinguen a la materia oscura difusa del modelo más ampliamente aceptado de materia oscura fría en el que no hay características coherentes ni vórtices cuánticos.
Los científicos demostraron que los centros de halos de materia oscura en este nuevo modelo difuso de materia oscura son prácticamente BEC gigantes, que se extienden no sobre millonésimas de metros (micrómetros) como en los sistemas atómicos fríos típicos, sino sobre miles de años luz (equivalentes a decenas de millones miles de millones de kilómetros), que abarca los centros de las galaxias y exhibe una propiedad característica de los sistemas cuánticos y BEC llamada coherencia.
El estudio también describe los movimientos internos de los halos exteriores y la energía cinética de la materia oscura allí, lo que da lugar a una intrincada maraña de vórtices cuánticos con perfiles de densidad característicos en sus núcleos.
Sus hallazgos han sido publicados en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Encuentro de dos disciplinas
La cosmología se ocupa de las escalas muy grandes de la naturaleza, desde los reinos de las galaxias y los cúmulos de galaxias hasta todo el universo observable. Los cosmólogos hacen observaciones del universo, siendo obviamente incapaces de realizar experimentos, y la principal fuerza natural que les preocupa es la gravedad. Tales observaciones han revelado que la mayor parte de la materia que compone el cosmos es diferente a la que compone a los humanos, los planetas y las estrellas, y está compuesta por una sustancia desconocida llamada, a falta de una palabra mejor, materia oscura.
La física atómica ultrafría, por otro lado, describe el comportamiento de las nubes de átomos, como los gases de rubidio, potasio y sodio, típicamente en millonésimas de grado por encima del cero absoluto en laboratorios de todo el mundo, y examina fenómenos que revelan la naturaleza cuántica de asunto.
El estudio reunió a estas dos disciplinas, dirigido por el Dr. Gerasimos Rigopoulos y el profesor Nick Proukakis de la Universidad de Newcastle, teóricos en cosmología y física atómica ultrafría respectivamente. El equipo también incluyó al investigador Dr. I-Kang (Gary) Liu, quien recientemente completó su beca Marie Curie sobre el tema, al Dr. Alex Soto y al Ph.D. estudiante Milos Indjin.
El Dr. Rigopoulos, profesor titular de matemáticas aplicadas, dijo: “Los cosmólogos ya han estudiado la materia oscura difusa desde hace algunos años, pero nuestro trabajo ha aplicado conceptos del estudio de la dinámica BEC que ha existido durante mucho más tiempo. Ahora Comprenda que existen similitudes específicas con los BEC y el objetivo final es utilizar este conocimiento para idear formas de probar mejor este nuevo y emocionante modelo de forma observacional”.
“Siempre he estado atento a los enfoques interdisciplinarios de la física y este ha sido un problema perfecto para abordarlo desde ese ángulo. Establecer un lenguaje común tomó algún tiempo, pero pudimos ver desde el principio, incluso cuando concebimos este proyecto, que hubo recompensas que cosechar cuando sales de tu zona de confort y tratas de ver las cosas desde una nueva perspectiva. Creo que nuestra perseverancia valió la pena y solo hemos arañado la superficie de lo que puede hacer una colaboración de este tipo”.
El profesor Proukakis, profesor de física cuántica y firme defensor de las características universales de tales formas de coherencia cuántica, agregó: “Es fantástico ver otra realización plausible de un sistema que muestra la condensación de Bose-Einstein: es increíble ver esto, ya que ahora están lidiando con un sistema tan grande más allá de la imaginación de los primeros que estudiaron este fenómeno en entornos de laboratorio controlados”.
“Aunque la creación de una atracción gravitacional que imite el potencial en entornos de laboratorio controlados sigue siendo un desafío/desconocido en los sistemas tridimensionales, desafíos similares inicialmente aparentemente imposibles se han enfrentado con el tiempo en tales sistemas experimentales. La mera perspectiva, aunque no muy probable, de posibilidades futuras de crear entornos de laboratorio que imiten ciertos aspectos de la distribución de la materia en el universo es emocionante por derecho propio”.
“Además, incluso como un campo de juego teórico, es fantástico tener un nuevo sistema para modelar, probar la amplia experiencia obtenida de los condensados de laboratorio y esperar futuras pruebas de observación en cosmología”.
La investigación futura se centrará en posibles formas de observar tales características de la materia oscura difusa, colocando así este modelo bajo un escrutinio observacional más detallado.
Los científicos están preparando una serie de publicaciones de seguimiento, después de haber completado un estudio que muestra la similitud teórica de las ecuaciones que rigen el modelo de materia oscura difusa con las utilizadas para estudiar cómo se desarrolla la condensación de Bose-Einstein en el laboratorio a medida que los gases atómicos se enfrían a cerca del cero absoluto.
Actualmente están utilizando conocimientos de teorías establecidas, ideadas para describir átomos fríos, para unificar matemáticamente la materia oscura fría convencional y los nuevos modelos de materia oscura difusa, al mismo tiempo que investigan las implicaciones y, a largo plazo, las pruebas observacionales de tales hallazgos.
Con información de Monthly Notices
 como en los sistemas atómicos fríos típicos, sino sobre miles de años luz){kind=link}