La mayor parte de la materia del universo, que asciende a un asombroso 85 % en masa, no se puede observar y consiste en partículas que no se tienen en cuenta en el modelo estándar de física de partículas (ver comentario 1). Estas partículas se conocen como Materia Oscura, y su existencia puede deducirse de sus efectos gravitacionales sobre la luz de galaxias distantes. Encontrar la partícula que compone la Materia Oscura es un problema urgente en la física moderna, ya que domina la masa y, por lo tanto, la gravedad de las galaxias; resolver este misterio puede conducir a una nueva física más allá del Modelo Estándar.
Mientras que algunos modelos teóricos proponen la existencia de partículas ultramasivas como posibles candidatas a materia oscura, otros sugieren partículas ultraligeras. Un equipo de astrofísicos dirigido por Alfred AMRUTH, estudiante de doctorado en el equipo del Dr. Jeremy LIM del Departamento de Física de la Universidad de Hong Kong (HKU), en colaboración con el profesor George SMOOT, Premio Nobel de Física de la Universidad de Hong Kong. de Ciencia y Tecnología (HKUST) y el Dr. Razieh EMAMI, investigador asociado del Centro de Astrofísica | Harvard & Smithsonian (CFA), ha proporcionado la evidencia más directa hasta el momento de que la materia oscura no constituye partículas ultramasivas como se piensa comúnmente, sino que comprende partículas tan ligeras que viajan a través del espacio como ondas. Su trabajo resuelve un problema destacado en astrofísica planteado por primera vez hace dos décadas: ¿por qué los modelos que adoptan partículas de materia oscura ultramasivas no predicen correctamente las posiciones observadas y el brillo de múltiples imágenes de la misma galaxia creadas por lentes gravitacionales? Los resultados de la investigación se publicaron recientemente en Naturaleza Astronomía.
Dark Matter no emite, absorbe ni refleja la luz, lo que dificulta su observación utilizando técnicas astronómicas tradicionales. Hoy en día, la herramienta más poderosa que tienen los científicos para estudiar la Materia Oscura es a través de lentes gravitacionales, un fenómeno predicho por Albert Einstein en su teoría de la Relatividad General. En esta teoría, la masa hace que el espacio-tiempo se curve, creando la apariencia de que la luz se curva alrededor de objetos masivos como estrellas, galaxias o grupos de galaxias. Al observar esta curvatura de la luz, los científicos pueden inferir la presencia y distribución de la materia oscura y, como se demuestra en este estudio, la naturaleza de la materia oscura en sí.
Cuando el objeto de lente de primer plano y el objeto de lente de fondo (ambos constituyen galaxias individuales en la ilustración) están estrechamente alineados, se pueden ver múltiples imágenes del mismo objeto de fondo en el cielo. Las posiciones y el brillo de las imágenes con lentes múltiples dependen de la distribución de la materia oscura en el objeto de lente en primer plano, lo que proporciona una sonda especialmente poderosa de la materia oscura.
Otra suposición de la naturaleza de la Materia Oscura
En la década de 1970, después de que se estableciera firmemente la existencia de la materia oscura, se propusieron partículas hipotéticas denominadas partículas masivas de interacción débil (WIMP) como candidatas para la materia oscura. Se pensaba que estos WIMP eran ultramasivos, más de al menos diez veces más masivos que un protón, e interactuaban con otra materia solo a través de la fuerza nuclear débil. Estas partículas surgen de las teorías de supersimetría, desarrolladas para llenar las deficiencias del modelo estándar, y desde entonces han sido ampliamente defendidas como las candidatas más probables para la materia oscura. Sin embargo, durante las últimas dos décadas, al adoptar partículas ultramasivas para la materia oscura, los astrofísicos se han esforzado por reproducir correctamente las posiciones y el brillo de las imágenes con lentes múltiples. En estos estudios, se supone que la densidad de la materia oscura disminuye suavemente hacia el exterior desde los centros de las galaxias de acuerdo con simulaciones teóricas que emplean partículas ultramasivas.
Comenzando también en la década de 1970, pero en dramático contraste con los WIMP, versiones de teorías que buscan rectificar deficiencias en el Modelo Estándar, o aquellas (por ejemplo, Teoría de Cuerdas) que buscan unificar las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza (las tres en el Modelo Estándar). Model, junto con la gravedad), defienden la existencia de partículas ultraligeras. Conocidas como axiones, se prevé que estas partículas hipotéticas sean mucho menos masivas que incluso las partículas más ligeras del modelo estándar y constituyen un candidato alternativo para la materia oscura.
De acuerdo con la teoría de la Mecánica Cuántica, las partículas ultraligeras viajan a través del espacio como ondas, interfiriendo entre sí en cantidades tan grandes que crean fluctuaciones aleatorias en la densidad. Estas fluctuaciones de densidad aleatorias en la materia oscura dan lugar a arrugas en el espacio-tiempo. Como era de esperar, los diferentes patrones del espacio-tiempo alrededor de las galaxias, dependiendo de si la materia oscura constituye partículas ultramasivas o ultraligeras (suaves o arrugadas), deberían dar lugar a diferentes posiciones y brillos para las imágenes de galaxias de fondo con lentes múltiples.
En el trabajo dirigido por Alfred AMRUTH, estudiante de doctorado en el equipo del Dr. Jeremy LIM en HKU, los astrofísicos han calculado por primera vez cómo las imágenes con lentes gravitacionales generadas por galaxias que incorporan partículas de materia oscura ultraligeras difieren de aquellas que incorporan partículas de materia oscura ultramasivas.
Su investigación ha demostrado que el nivel general de desacuerdo encontrado entre las posiciones observadas y pronosticadas, así como el brillo de las imágenes de lentes múltiples generadas por modelos que incorporan materia oscura ultramasiva, se pueden resolver adoptando modelos que incorporan partículas de materia oscura ultraligeras. Además, demuestran que los modelos que incorporan partículas de materia oscura ultraligeras pueden reproducir las posiciones observadas y el brillo de las imágenes de galaxias con lentes múltiples, un logro importante que revela la naturaleza arrugada en lugar de suave del espacio-tiempo alrededor de las galaxias.
«La posibilidad de que la materia oscura no contenga partículas ultramasivas, como ha defendido durante mucho tiempo la comunidad científica, alivia otros problemas tanto en los experimentos de laboratorio como en las observaciones astronómicas», explica el Dr. Lim. “Los experimentos de laboratorio han sido singularmente infructuosos en la búsqueda de WIMP, el candidato favorito desde hace mucho tiempo para la Materia Oscura. Dichos experimentos están en su tramo final, culminando en el experimento DARWIN planificado, dejando a los WIMP sin lugar para esconderse si no se encuentran (ver comentario 2).’
El profesor Tom BROADHURST, profesor Ikerbasque en la Universidad del País Vasco, profesor invitado en HKU y coautor del artículo, agrega: «Si la materia oscura comprende partículas ultramasivas, entonces, según las simulaciones cosmológicas, debería haber cientos de galaxias satélite que rodean la Vía Láctea. Sin embargo, a pesar de las búsquedas intensivas, hasta ahora solo se han descubierto alrededor de cincuenta. Por otro lado, si la Materia Oscura se compone de partículas ultraligeras, entonces la teoría de la Mecánica Cuántica predice que las galaxias por debajo de cierta masa simplemente no pueden formarse debido a la interferencia de onda de estas partículas, lo que explica por qué observamos una falta de pequeñas galaxias satélite alrededor de la Tierra. Vía Láctea.’
«La incorporación de partículas ultraligeras en lugar de ultramasivas para Dark Matter resuelve varios problemas de larga data simultáneamente tanto en la física de partículas como en la astrofísica», dijo Amruth Alfred, «Hemos llegado a un punto en el que es necesario reconsiderar el paradigma existente de Dark Matter». Decir adiós a las partículas ultramasivas, que durante mucho tiempo han sido anunciadas como candidatas favoritas para la materia oscura, puede no ser fácil, pero la evidencia se acumula a favor de que la materia oscura tiene propiedades similares a las de las partículas ultraligeras. El trabajo pionero utilizó las instalaciones de supercomputación en HKU, sin las cuales este trabajo no hubiera sido posible.
El coautor, el profesor George SMOOT, agregó: «Comprender la naturaleza de las partículas que constituyen la materia oscura es el primer paso hacia la nueva física». Este trabajo allana el camino para futuras pruebas de materia oscura similar a ondas en situaciones que involucran lentes gravitacionales. El telescopio espacial James Webb debería descubrir muchos más sistemas con lentes gravitacionales, lo que nos permitiría realizar pruebas aún más precisas de la naturaleza de la materia oscura.
Comentarios: 1. El Modelo Estándar de Física de Partículas es la teoría que describe tres de las cuatro fuerzas fundamentales conocidas (interacciones electromagnética, débil y fuerte, excluyendo la gravedad) en el universo y clasificando todas las partículas elementales conocidas. Aunque el Modelo Estándar ha obtenido grandes éxitos, deja algunos fenómenos sin explicar, por ejemplo, la existencia de partículas que interactúan con partículas conocidas en el Modelo Estándar solo a través de la gravedad, y no llega a ser una teoría completa de las interacciones fundamentales.
