Después de casi un siglo de especulaciones, propuestas y búsquedas de materia oscura, los físicos ahora saben que actualmente comprende alrededor del 27% de la masa-energía del universo, con una abundancia cinco veces mayor que la de la materia ordinaria como usted, los océanos y los exoplanetas.
La mayor parte de la materia del universo es oscura. A gran escala, es fría y no choca con nada que reconozcamos, por lo que se la llama «materia oscura fría». Se han propuesto muchos candidatos que podrían explicar la estructura a gran escala del universo, pero ninguno ha sido establecido mediante experimentos.
Pero a escalas más pequeñas, la materia oscura puede ser diferente y puede dejar diferentes firmas, especialmente en el universo primitivo. Por supuesto, esas son más difíciles de observar.
Los bariones, como los protones y los neutrones, también estaban en el universo primitivo, y sus efectos deben distinguirse de cualquier materia oscura que estuviera presente; ambos afectarían la formación de estructuras más pequeñas.
Existe una gran cantidad de discrepancias a distancias galácticas y subgalácticas, y se desconoce si todas estas discrepancias pueden explicarse mediante la física bariónica manteniendo el escenario de la materia oscura fría. En escalas de longitud de un megaparsec o menos y escalas de masa menores a 100 mil millones de masas solares, esto no ha resultado fácil de hacer.
Un grupo dirigido por Jo Verwohlt de la Universidad de Copenhague en Dinamarca ha demostrado que existe una manera de revelar la materia oscura utilizando una línea profundamente desplazada hacia el rojo en el espectro del hidrógeno, de las primeras estrellas y galaxias que ahora están en el extremo más alejado del universo. Su trabajo aparece en la revista Physical Review D.
Algunas ideas sobre la materia oscura proponen que interactúa con la radiación oscura, también conocida como electromagnetismo oscuro o fotones oscuros. Como los fotones se intercambian en fuerzas electromagnéticas, la radiación oscura mediaría las interacciones entre partículas de materia oscura.
Al igual que la materia oscura, la radiación oscura no interactuaría con las otras fuerzas del Modelo Estándar, la fuerza débil y la fuerza fuerte. No se sabe si existe la radiación oscura; un candidato es un neutrino estéril, si es que existe.
La radiación oscura podría haber calentado el universo primitivo denso, ya que la radiación oscura caliente interactuó con la materia oscura, elevando su temperatura. El calentamiento puede haber sido suficiente para que grandes concentraciones de materia oscura formaran «halos de materia oscura», regiones hipotéticas en las que la materia oscura está ligada gravitacionalmente y se ha desacoplado de la expansión del universo, uniéndose localmente y expandiéndose en su lugar como un todo, de forma muy similar a las galaxias y los cúmulos actuales.
Estos halos resistirían temporal y repetidamente el colapso gravitacional, ciclos que se denominan «oscilaciones acústicas oscuras» (acústicas porque son fluctuaciones en la densidad, al igual que las ondas sonoras son fluctuaciones en la densidad del aire o de algún otro fluido).
Estos ciclos de materia oscura se habrían extinguido rápidamente, pero primero habrían afectado el comienzo del «amanecer cósmico», cuando las primeras galaxias de materia ordinaria se formaron a partir del gas primordial que fue atraído hacia los halos.
Verwohlt y su equipo exploraron «qué tan bien podríamos medir las propiedades de la materia oscura usando el espectro de potencia de 21 cm en z > 10». («z» es un parámetro de corrimiento al rojo que los astrónomos usan para indicar qué tan rápido otro objeto o región se aleja de nosotros debido a la expansión cósmica, el efecto Doppler que incluye velocidades relativistas. La región donde z = 10 se está expandiendo al 99,8 % de la velocidad de la luz alejándose de la Tierra).
Las condiciones alrededor del amanecer cósmico afectarían la luz de 21 cm. (La luz de 21 cm se emite cuando un átomo de hidrógeno neutro, con un protón y un electrón, pasa de un estado en el que ambas partículas tienen sus espines en la misma dirección a un estado en el que el espín del electrón es opuesto al espín inalterado del protón, una llamada transición de espín-cambio hiperfino).
Al principio habría una absorción neta (o emisión) de los fotones de 21 cm del fondo cósmico de microondas por los átomos de hidrógeno neutro en el medio entre las galaxias.
«Por lo tanto, la evolución de la señal de 21 cm (tanto global como fluctuaciones) se puede utilizar para inferir la presencia de amortiguamiento de materia oscura a pequeñas escalas», escribieron.
Utilizaron una «teoría eficaz de formación de estructuras», que permite determinar la formación de la estructura cosmológica en casi cualquier modelo microfísico de materia oscura, y modelos de otros procesos físicos para vincular la señal de 21 cm con la densidad de la tasa de formación de estrellas.
Su resultado final descubrió que el radiotelescopio HERA en Sudáfrica necesitaría casi un año y medio de observación de la línea desplazada al rojo de 21 centímetros para determinar si existen oscilaciones acústicas oscuras y para distinguir entre varios modelos oscuros diferentes.
Con información de Physical Review D
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