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¿Son posibles los objetos de materia obscura?

La materia obscura (MO) forma el 80% de la materia que hay en el Universo.
Si tenemos en cuenta a la energía obscura que acelera la expansión Universal, la MO es el 20% del total del Universo.
Es la responsable de mantener armadas a las galaxias permitiendo que las estrellas más alejadas no escapen. De lo contrario, las galaxias se desmenuzarían en sus partes más alejadas del centro.
A la MO sólo se la detecta gravitacionalmente. No interactúa con campos magnéticos, ni absorbe ni refleja luz; de ahí su nombre ya que no se la puede ver.
Mucho se conjetura sobre su naturaleza (La materia obscura dinámica | pdp 29.jul.2018 | https://paolera.wordpress.com/2018/07/29/la-materia-obscura-dinamica/)

¿Qué es la materia oscura? | 11.sep.2015 | Instituto de Física Teórica IFT.

Se piensa que está compuesta por partículas de baja capacidad de interacción llamadas WIMPs. Éstas, serían sus propias antipartículas, por lo que se aniquilarían entre ellas al entrar en contacto.

Con esta idea en mente, y viendo que la MO prefiere estar distribuida a gran escala formando estructuras difusas, no sería capaz de coagular.
Así, no autrogravita y forma grumos que den lugar a una acreción de MO que forme objetos.
Luego, por lo que se sabe hasta Hoy, no es posible la existencia de objetos de MO tales como planetas o estrellas. Esto contradice la idea de estrellas de MO pura. En este sentido, sólo podría haber estrellas de materia ordinaria en las que caiga MO que se aniquila en su interior potenciándola (¿Las estrellas de materia obscura porían existir? | pdp 13.may.2015 | https://paolera.wordpress.com/2015/01/13/las-estrellas-obscuras-podrian-existir/).

De la misma manera, este auto-aniquilamiento no permitiría la existencia de objetos muy masivos de MO.

No está todo dicho en relación a la MO.
Tal vez, y sólo tal vez, las partículas componentes de la MO no se auto-aniquilen después de todo, y con el tiempo, quizás mucho tiempo… tal vez… se formen objetos de esta materia.
Por ahora, por noviembre del 2021, las cosas son así.

Referencia:
Ask Ethan: Why can’t black holes be made of dark matter? | BigThink – Starts with a Bang 12.nov.2021 | Ethan Siegel | https://bigthink.com/starts-with-a-bang/black-holes-dark-matter/

pdp.

Podría detectarse materia obscura observando estrellas de neutrones.

La materia obscura es la responsable de mantener armadas a las galaxias.
Gracias a ella, las estrellas más alejadas del centro no escapan al espacio intergaláctico. Debe su nombre a que aún se desconoce su naturaleza siendo el 20% de la materia que hay en el Universo (La materia obscura dinámica | pdp 29.jul.2018 | https://paolera.wordpress.com/2018/07/29/la-materia-obscura-dinamica/).

La materia obscura sólo se manifiesta en forma gravitacional, no interactúa electromagnéticamente por lo que es invisible a nuestros instrumentos de observación.
Su interacción con la materia ordinaria es muy débil, de hecho, podría atravesar 10 mil millones de Kms de plomo (aproximadamente un año luz) sin detenerse por colisiones con las partículas de ese material. Luego, sería muy difícil o imposible construir un detector de materia obscura lo suficientemente grande y denso como para detectar partículas de esa materia por colisión con las de materia ordinaria.

Pero en la Naturaleza tenemos estrellas de neutrones.

Ilustración de una estrella de neutrones | NASA.

Son los restos evolutivos de estrellas masivas tan colapsados y comprimidos, que electrones (partículas negativas) y protones (positivas) se unen formando neutrones (partículas neutras, sin carga). Contienen la masa del Sol en un radio de unos 10 Kms, el tamaño de una luna o planeta enano. Si pudiésemos tomar una cucharadita de su materia, ésta sería de unas 1000 millones de toneladas. Así, se comportan como los detectores más densos capaces de responder a la interacción con partículas de materia obscura.

Las partículas de materia obscura que choquen con la estrella de neutrones quedarían frenadas y atrapadas en la gran densidad de protones en el interior de la estrella.
Con el tiempo, aumentaría la autogravitación y la estrella de neutrones se calentaría con las consecuencias observables del caso. Más aún; el aumento de masa podría colaborar con la estrella de neutrones para terminar de colapsar y formar un agujero negro.
Luego, si con el tiempo se observa este tipo de comportamiento en una estrella de neutrones, sería muy probable que se trate de la presencia de materia obscura en ella.

Se ha dicho que las partículas de materia obscura son también sus antipartículas.
Según esta idea, al chocar dos partículas de esta materia se aniquilarían generando cierta energía y otras partículas. De esta manera, las partículas de energía obscura atrapadas en el interior de las estrellas de neutrones podrían aniquilarse entre ellas generando una radiación particular (Neutrinos por decaimiento de materia obscura | pdp 9.may.2013 | https://paolera.wordpress.com/2013/05/09/neutrinos-por-decaimiento-de-materia-obscura/).

Referencia:
USING NEUTRON STARS TO DETECT DARK MATTER | Professor Nicole Bell, University of Melbourne | https://pursuit.unimelb.edu.au/articles/using-neutron-stars-to-detect-dark-matter

Fuente:
Nucleon Structure and Strong Interactions in Dark Matter Capture in Neutron Stars | Phys. Rev. Lett. 127, 111803 – Published 10 September 2021 | Nicole F. Bell et al. | Abstract: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.111803 | PDF arXiv: https://arxiv.org/pdf/2012.08918.pdf

pdp.

Buscando Materia Obscura en Júpiter.

La materia obscura (MO) recibe su nombre por no poder ser observada sino detectada gravitacionalmente.
Es la responsable de mantener unidas a las estructuras galácticas y aún no se domina su naturaleza. Se piensa que está conformada por partículas exóticas cuyos comportamientos aún se desconocen
Unos modelos sugieren que se trata de wimps, unas partículas de baja interacción. Éstas serían sus propias antipartículas, por lo que al chocar entre ellas se aniquilarían produciendo energía.

En un principio se pensó que la MO podría caer en el Sol. Allí, los wimps se encontraría con la materia ordinaria y se desacelerarían. Esto facilitaría que choquen entre ellos generando su desintegración, lo que produciría cierto tipo de radiación y partículas.
Pero esto presenta un detalle.
El Sol es muy caliente por lo que podría evaporar la MO que se le acerque lo que reduciría la cantidad de esa materia que caiga en Él. Además, por su actividad, podría generar radiación y partículas similares a las buscadas en algún proceso dado en su interior o en algunas de sus capas.

Así es como se pensó en otro objeto grande, con la suficiente superficie colectora; masivo, con la suficiente gravedad; pero frio, para no evaporar la MO ni mostrar radiación o partículas producidas en procesos propios.
Las miradas están dirigidas a Júpiter.

Part of a planet in tans and ruddy colors with swirly bands.
Imagen de Júpier tomada por la sonda Juno – NASA.

Se piensa que la aniquilación de wimps que sean atraídos hacia el gigante gaseoso producirían cierto tipo de rayos Gamma. De esta manera comienza el primer análisis de rayos Gamma dedicado a Júpiter mientras se revisan las observaciones en esas altas frecuencias obtenidas por el Telescopio Fermi (https://fermi.gsfc.nasa.gov/).

Referencia:
Is Jupiter a key to finding dark matter? | Space, 16.apr.2021 | Kelly Kizer | https://earthsky.org/space/jupiter-dark-matter-detection-gamma-rays-fermi

Fuente:
First Analysis of Jupiter in Gamma Rays and a New Search for Dark Matter | arXiv, 5.apr.2021 | Rebecca K. Leane and Tim Linden | https://arxiv.org/pdf/2104.02068.pdf

pdp.

La disgregación de Las Híades por un posible sub-halo de materia obscura.

Los cúmulos de estrellas, son agrupaciones de estrellas vinculadas gravitacionalmente.
Por un lado están los cúmulos globulares. Tienen forma esférica y se habrían formado en la juventud de las galaxias. La Nuestra, muestra sus propios cúmulos globulares y otros que habrían quedado atrapados de galaxias menores asimiladas.
Por otro lado, están los cúmulos abiertos o galácticos. Tienen forma irregular y están dados por estrellas nacidas de la misma nube protoestelar.

Con el tiempo, las estrellas van dejando su cúmulo abierto parental. «Revoloteando como insectos alrededor de la luz», se van tironeando gravitacionalmente pasando unas cerca de otras, y de esa manera, algunas llegan al borde del cúmulo. En esa región, sienten la atracción del resto de la galaxia y se alejan del sistema que las vio nacer. En ese proceso, se forman dos colas de estrellas conocidas como colas de mareas. Una delante del cúmulo en su movimiento por la galaxia, y la otra detrás.

El cúmulo abierto conocido como Las Híades, es visible a simple vista y se trata del más cercano al Sistema Solar. Se encuentra a unos 150 años luz (AL) de casa y pertenece a la constelación de Tauro.
De fácil reconocimiento por su forma de “V”, forma parte de la cabeza del toro, donde la estrella más brillante es Aldebarán, aunque ésta no pertenece al cúmulo.
Hay más estrellas en él que las observables a simple vista; cientos en un entorno de unos 60 AL. Estas estrellas muestran la distribución típica de las dos colas de mareas de este cúmulo, pero no presentan la características clásicas de estas estructuras. La cola trasera tiene muchas menos estrellas que la delantera y es mucho más larga. Los estudios señalan que muchas estrellas que se han desprendido de la cola trasera se encuentran a miles de AL del cúmulo.
No se observa materia capaz de producir esa disrupción gravitacional de estrellas, por lo que se alimenta la idea de la existencia de una estructura de materia obscura.

Las galaxias se mantienen armadas por un tipo elusivo de materia conocida como materia obscura, ya que no se la observa y sólo se la detecta gravitacionalmente. Todas ellas, incluso la nuestra, tienen un halo de materia obscura que las rodea.
Siempre se pensó en la existencia de sub-halos de materia obscura como remanentes reliquias de la formación de la galaxia.
Luego, las características observadas en las colas de Las Híades, sugieren que una estructura de tipo sub-halo de materia obscura, de unas 10 millones de veces la masa de Sol, es la responsable de la disrupción gravitacional de este cúmulo. De esta manera, Las Híades está sufriendo una disgregación por la acción de un sub-halo de materia obscura.

Invisible Milky Way ‘relic’ disrupting closest star cluster? – VideoFromSpace

Referencia:
Is the nearest star cluster to the Sun being destroyed? | ESA 24.mar.2021 | https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Gaia/Is_the_nearest_star_cluster_to_the_Sun_being_destroyed

Fuente:
The 800 pc long tidal tails of the Hyades star cluster | A&A 647, A137 (2021) | Tereza Jerabkova et al. | https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2021/03/aa39949-20/aa39949-20.html

pdp.

Explicando la onda gravitacional GW 190521.

La detección de ondas gravitacionales abrió una nueva “ventana” de exploración del Universo.
Estas ondas se producen en eventos gravitacionales, principalmente, en la colisión de dos objetos masivos.
La onda detectada el 21 de mayo del 2019 y catalogada como GW 190521 dió de qué hablar y sigue dando motivos de discución.
En ella, se involucraron dos objetos, uno con una masa de 66 masas Solares y otro de 85 masas Solares. Por sus masas, se pensó que se trató de dos agujeros negros. Al fusionarse, se formó un objeto de 142 masas Solares, o sea, otro agujero negro. La suma de ambas masas arroja un valor superior al del objeto final, pero hay que tener en cuenta que parte de la masa se transforma en energía durante la fusión.

Ahora bien, las estrellas ultramasivas generadoras de agujeros negros como el de 85 masas Solares, no son muy comunes y por un tiempo la pregunta era ¿dónde están este tipo de estrellas?
También, el agujero negro resultante de 142 masas Solares, cae en el intervalo de valores de lo que se conoce como agujeros negros de masa intermedia (entre los de masa estelar y supermasivos), los que también son muy esquivos.
Luego, esta detección daba cuenta de la existencia de estrellas ultramasivas generadoras de agujeros negros y de los de masa intermedia (GW 190521: Evidencia concreta de agujero negro de masa intermedia | pdp 3.sep.2020 | https://paolera.wordpress.com/2020/09/03/gw-190521-evidencia-concreta-de-agujero-negro-de-masa-intermedia/).

Gráfico explicativo de las masas involucradas en GW 190521 – LIGO/Caltech/MIT/R. Hurt (IPAC)

Pero sucede que ahora hay otras explicaciones para esta detección.

Teniendo en cuenta los valores poco frecuentes de las masas involucradas, algunos proponen que no se trató de la fusión de dos agujeros negros, sino de la fusión de dos estrellas de bosones familiarmente llamadas estrellas obscuras.
Estas estrellas no estarían hechas de materia ordinaria (o de fermiones) sino de la elusiva materia oscura. Recordemos que esta materia mantiene armadas a las galaxias y sólo se la detecta gravitacionalmente. Hace tiempo se pensó que la materia obscura podría colapsar formando estrellas las cuales brillarían por procesos generados en su interior.
Los creadores de este modelo afirman que no son necesarios los agujeros negros para generar este tipo de ondas gravitatorias, para lo cual basta con este tipo de estrellas. Más aún, el modelo de fusión de estrellas obscuras parece explicar mejor los datos observados de GW 190521.

Los agujeros negros se forman del colapso del núcleo remanente de una estrella masiva que estalló.
Pero para otros investigadores, la masa del agujero negro principal está en el rango de masas donde los modelos astrofísicos actuales no pueden explicar satisfactoriamente su origen luego del estallido de una estrella masiva en forma de supernova.
Así es cómo proponen que este objeto en realidad sería un agujero negro primordial.
Éstos no se habrían formado por el colapso del núcleo de una estrella masiva, sino que habrían nacido en los orígenes del Universo por el rápido colapso de materia en regiones muy densas. En ese evento, estos objetos no tuvieron tiempo de irradiar energía (si lo hicieron fue por un breve momento) y su gravedad permitió generar un agujero negro.

Así entonces, debido a las masas del objeto principal y resultante, se sigue debatiendo el origen de GW 190521.

Referencias:
How the collision of two black holes may solve one of the universe’s biggest mysteries | NUAE Science, 8.mar.2021 | https://www.thenationalnews.com/uae/science/how-the-collision-of-two-black-holes-may-solve-one-of-the-universe-s-biggest-mysteries-1.1179509
Study shows that the GW190521 event could be explained by primordial black holes | PHYS.ORG 5.mar.2021 | Ingrid Fedelli | https://phys.org/news/2021-03-gw190521-event-primordial-black-holes.html

Fuente:
GW190521 Mass Gap Event and the Primordial Black Hole Scenario | Phys. Rev. Lett. 126, 051101 – Published 2 February 2021 | V. De Luca et al. | https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.051101

pdp.

Centros galácticos ricos en materia obscura.

Los agujeros negros son regiones del espacio de gran gravedad de donde no escapa ni la luz.
En su centro se encuentra un objeto compacto generador de esa región, que a partir de cierta distancia, no deja escapar ni la luz. Esa distancia es el radio del agujero negro y el objeto central puede ser menor que él.
Por eso, cuando se habla de la masa de un agujero negro, se hace referencia a la de ese objeto generador de tal gravedad. Luego, no hay que pensar en un agujero negro como en un objeto, ya que el objeto generador del agujero negro está en su interior.

Las grandes galaxias tienen un agujero negro supermasivo en su centro.
Observando galaxias lejanas, las detectamos como cuando eran jóvenes por el tiempo que nos tarda en llegar su luz. Así, se detectaron agujeros negros supermasivos de épocas muy tempranas del Universo. Se los clasificó como de rápido crecimiento, ya que, según las teorías clásicas, no tuvieron suficiente tiempo para desarrollarse tanto. De esta manera, se supusieron varios modelos, entre ellos, la fusión de agujeros negros más pequeños o semillas (Los agujeros negros de rápido crecimiento | pdp 20.mar.2018 | https://paolera.wordpress.com/2018/03/20/los-agujeros-negros-de-rapido-crecimiento/).

Un nuevo modelo, sugiere que estos agujeros negros supermasivos, se formaron del colapso de materia obscura en regiones de alta densidad. Estar regiones estarían en el centro del Halo de las galaxias, los que por rodearlas, tienen su centro en el centro de las galaxias.

File:Messier 81 HST.jpg
Galaxia espiral (M 81) – Wikipedia / NASA, ESA and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA).

Esta estructuras de matera obscura, tendrían la capacidad de colapsar más rápido que las de materia ordinaria o bariónica sin necesidad de objetos semilla. Luego, esos objetos supermasivos en el centro de las galaxias, ¿serían totalmente de materia obscura o con el tiempo habrían asimilado también materia ordinaria?

Hay galaxias con centros “tranquilos”, de moderada actividad, a diferencia de las galaxias activas que muestran centros vigorosos que expulsan grandes cantidades de energía potenciados por el agujero negro supermasivo central.
La Vía Láctea, es una galaxia no activa.
Para éstas, el nuevo modelo sugiere que pueden tener una región central de gran cantidad de materia obscura generando una colosal gravedad dominante, sin necesidad de llegar a ser un agujero negro.
O sea que este modelo describe el comportamiento gravitacional del centro de estas galaxias, sin necesidad de la existencia de un agujero negro supermasivo.

Referencia:
Un estudio sugiere que los agujeros negros supermasivos podrían haberse generado a partir de materia oscura | CONICET 24.feb.2021 | https://www.conicet.gov.ar/un-estudio-sugiere-que-los-agujeros-negros-supermasivos-podrian-haberse-generado-a-partir-de-materia-oscura/

Fuente:
On the formation and stability of fermionic dark matter haloes in a cosmological framework | Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 502, Issue 3, April 2021, Pages 4227–4246 | Carlos R. Argüelles et al. | https://academic.oup.com/mnras/article/502/3/4227/6056505

pdp.

Buscando materia obscura en estrellas de neutrones.

La materia obscura forma aproximadamente el 20% de la materia Universal.
Se encarga de mantener unidas las estructuras galácticas. Las estrellas más alejadas del centro, se mueven muy rápido para mantenerse en la galaxia hospedante. Así, las galaxias deberían desmenuzarse, cosa que no sucede.
Hay dos explicaciones.
O hay que corregir la ley de gravitación pues no se aplicaría a grandes escalas, o hay una materia que sólo se la detecta gravitacionalmente, pues no se la observa, llamada “obscura”.

Se conjeturó mucho sobre esta materia.
Para unos son nubes frías de hidrógeno y por lo tanto muy difíciles de observar.
Para otros, se trata de partículas de baja interacción llamadas TWIMPs. Estas partículas tendrían exóticas propiedades, tales como atracción en grandes escalas y repulsión en pequeñas; por eso no la detectamos cerca nuestro.

Ahora aparece un nuevo candidato a ser la respuesta para la naturaleza de la materia obscura.
Se trata de los axiones.
En física hay simetrías de tipo C (carga) y de tipo P (paridad). Una dice que la física es la misma no importa la carga de las partículas, y la otra dice lo mismo sin importar la configuración del sistema, ya sea la original o su simétrica (como frente a un espejo). Esto da lugar a simetrías CP.
Pata explicar algunos detalles de las simetrías CP, se teorizó la existencia de una partícula sin carga y poco masiva aunque no tan liviana como el neutrino.
Así nació la idea del axión (https://es.wikipedia.org/wiki/Axión).
A la hora de bautizar a esta partícula, uno de los científicos se inspiró en un producto de limpieza y la llamó: axión. El axión tendría la cualidad de generar o transformarse en fotones (partículas de energía) cuando interactúa con un campo magnético intenso y se habría originado en el Big-Bang en grandes cantidades. Es una partícula muy elusiva, ya que aún no se la pudo hallar pese a todos los esfuerzos realizados. Esto la convierte en candidata a ser la materia obscura buscada, ya que ambas saben esconderse para no ser halladas.

En el interior de las estrellas de neutrones, la materia está altamente comprimida formando neutrones de la unión de electrones y protones, en estado de degeneración, y sometida a grandes presiones y temperaturas. Bajo estas condiciones, se podrían generar axiones con la energía suficiente para escapar de la estrella de neutrones. Al hacerlo, interactuarían con el intenso campo magnético que tienen estos objetos y entonces los axiones generarían fotones, en este caso y según los cálculos, fotones o energía de rayos X.

Artwork depicting the magnetic field surrounding a neutron star. Credit: Casey Reed / Penn State University
Ilustración de estrella de neutrones y su campo magnético – crédito: Casey Reed / Penn State University

Esta emisión se sumaría a la habitual de la estrella de neutrones generando un exceso en rayos X para este tipo de objetos. Si este exceso es detectado en este tipo de objetos, estaríamos detectado la presencia de axiones y hasta de la materia obscura buscada.

Actualmente, a enero del 2021, sólo algunas estrellas de neutrones aisladas han mostrado excesos en rayos X interesantes. Luego, hay que seguir buscando, pero el camino que se sigue no es ilógico.

Como siempre digo en estos casos: Cha, cha, cha, chaaaaaaaannnn…

Referencia:
ARE NEUTRON STARS BLASTING OUT DARK MATTER?| SyFyWire – Bad Astronomy 1.feb.2021 | Phil Plait | https://www.syfy.com/syfywire/are-neutron-stars-blasting-out-dark-matter

Fuente:
Axion Emission Can Explain a New Hard X-Ray Excess from Nearby Isolated Neutron Stars | PHYSICAL REVIEW LETTERS 126, 021102 (2021) | Malte Buschmann et al. | https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.126.021102

pdp.

Moléculas gravitacionales.

En Física, los campos son regiones del espacio donde hay energía o información almacenada.
Los hay de dos tipos, vectoriales y escalares.
Los campos vectoriales indican información en cada lugar del espacio y hacia dónde apunta ésta.

Ilustración de campo vectorial publicada sin créditos en http://laplace.us.es/wiki/index.php/Representaci%C3%B3n_de_campos_vectoriales

Por ejemplo, el campo gravitatorio es un campo vectorial que nos indica el valor de la gravedad en cada punto del espacio y en qué sentido y dirección apunta.

Los campos escalares sólo indican información que no tiene dirección ni sentido. Por ejemplo, si recorremos el espacio con un termómetro, veremos que en diferentes lugares hay diferentes temperaturas.

Ejemplo de Campo Escalar. Campo de Temperaturas T = T (x, y)
Ejemplo de campo escalar de temperaturas publicado sin créditos en https://www.researchgate.net/figure/Figura-3-Ejemplo-de-Campo-Escalar-Campo-de-Temperaturas-T-T-x-y_fig1_264870899

Según la Física Cuántica, los electrones que rodean un núcleo atómico o molécula, no pueden ser localizados con exactitud. Se comportan como una nube o campo escalar que en cada punto nos indica la probabilidad de hallar allí un electrón. Evidentemente, ese escalar está afectado por los núcleos atómicos que forman la molécula.
De esta manera, una molécula diatómica está formada por dos átomos rodeados de un campo escalar que da cuenta de los electrones que la rodean.

Tanto un agujero negro como un núcleo atómico, están caracterizados por su masa, su spin (rotación sobre su eje) y su carga eléctrica.
Extendiendo esta analogía, se encontró que un sistema binario de agujeros negros puede tener un campo escalar en sus vecindades dando cuenta de partículas que los rodean. Debido a la similitud con las moléculas diatómicas, a estos sistemas se los llama moléculas gravitacionales ya que es la gravedad de los agujeros negros lo que afecta al campo escalar vecino.

Esta simulación por computadora muestra agujeros negros supermasivos a solo 40 órbitas de la fusión.
Simulación de sistema binario de agujeros negros – imagen  © NASA’s Goddard Space Flight Center

No es novedad que los agujeros negros estén rodeados de partículas de materia ordinaria. Pero pueden estar rodeados de partículas de la elusiva materia obscura.
En ese caso, el modelo o campo escalar que la describe será diferente al de la materia ordinaria y cuando los agujeros negros colapsen en un sólo objeto, esa materia obscura afectará a las ondas gravitatorias que se producirán.
Así, este modelo de moléculas gravitacionales permite suponer que se puede detectar materia obscura a través de las ondas gravitacionales generadas en la fusión de agujeros negros.

Referencia:
Weird ‘gravitational molecules’ could orbit black holes like electrons swirling around atoms | Live Science | Paul Sutter | https://www.livescience.com/black-holes-gravitational-molecules-evidence.html

Fuente:
Black hole binaries and light fields: gravitational molecules | arXiv 30.sep.2020 | Taishi Ikeda et al. | https://arxiv.org/pdf/2010.00008.pdf

pdp.

La materia obscura de Dragonfly 44.

Artículo corregido el 16/oct/2020 a las 10:55 HOA.
La elusiva materia obscura es la que mantiene armadas a las galaxias.
Se la detecta gravitacionalmente haciendo que las partes más alejadas del centro de las galaxias no se desmenuce perdiendo estrellas al espacio intergaláctico. Pero esta materia no interactúa con la luz por lo que no es observable y se la llama “obscura”.

Las galaxias tienen una proporción de 1 gramo de materia ordinaria por cada 200 a 300 gramos de materia obscura.
Las galaxias crecen asimilando a otras menores. Los cúmulos globulares son agrupaciones estelares con forma esférica. Se habrían formado en los orígenes de las galaxias donde se hospedan y algunos podrían haber sido asimilados de otras galaxias menores. (El siguiente párrafo entre corchetes es erróneo [y su existencia en las galaxias son el resultado de haber asimilado a otras menores. Esos cúmulos serían los núcleos de galaxias menores asimiladas.])
Así, es lógico que haya una relación directa entre la cantidad de cúmulos globulares y materia obscura en una galaxia. Si bien esta relación se verifica observacionalmente, aún no hay una teoría que la respalde y explique.

La galaxia Dragonfly 44, es una galaxia enana ultra difusa, lo que indica que sus estrellas están muy separadas entre sí. Se encuentra en la constelación de Coma Berenices a unos 300 millones de años luz de nosotros.

Image and amplification (in colour) of the ultra-diffuse galaxy Dragonfly 44 taken with the Hubble space telescope. Many of the dots on the galaxy are the globular clusters studied in this article to explore the distribution of dark matter. The galaxy is so diffuse that other galaxies can be seen behind it. Credit: Teymoor Saifollahi and NASA/HST.
Imagen de Dragonfly 44 crédito de Teymoor Saifollahi and NASA/HST.

Las primeras observaciones indicaron que esta galaxia tenía unas 100 millones de estrellas, esto es mil veces menos que la Nuestra, y unos 80 cúmulos globulares.
Estas medidas sugerían que Dragonfly 44 tenía una proporción de materia obscura de 1 en 10000.
Con esa proporción, Dragonfly 44 tenía la misma cantidad de materia obscura que la Vía Láctea mientras que tenía sólo la milésima parte de estrellas, o sea que esta galaxia estaba hecha casi por completo de materia obscura (99,99%).

Nuevas observaciones pudieron confirmar que Dragonfly 44 tiene unos 20 cúmulos globulares, lo que lleva la proporción de materia obscura a 1 en 300. Este valor pone a esta galaxia dentro de los parámetros normales para una enana ultra difusa.

Referencia:
The puzzle of the strange galaxy made of 99.99% dark matter is solved | IAC 13/10/2020 | SCIENCE COMMUNICATION AND OUTREACH UNIT | https://iac.es/en/outreach/news/puzzle-strange-galaxy-made-9999-dark-matter-solved

Fuente:
The number of globular clusters around the iconic UDG DF44 is as expected for dwarf galaxies | Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 08.oct.2020 | Teymoor Saifollahi et al. | https://academic.oup.com/mnras/advance-article/doi/10.1093/mnras/staa3016/5919454?guestAccessKey=8edc1a08-7be0-4044-8409-c14abffddadc – Todo el artículo: https://arxiv.org/pdf/2006.14630v4.pdf

pdp.

¿Qué detectó XENON1T?

La elusiva materia obscura que mantiene armadas a las galaxias aún no se muestra.
Se manifiesta solamente en forma gravitacional ya que no refleja luz, no la refracta ni emite radiación. La idea es que está compuesta por partículas llamadas WIMPs, que son partículas de muy baja interacción. Los WIMPs serían sus propias antipartículas, ya que se supone que el encuentro entre dos WIMPs produce su aniquilación con la consabida radiación de energía. Pero nada de eso fue detectado hasta ahora, ni siquiera la producción de neutrinos con cierta energía cuando los WIMPs interactúan con las partículas del Sol y se aniquilan en su interior (Por qué buscamos neutrinos | pdp 22.nov.2013 | https://paolera.wordpress.com/2013/11/22/por-que-buscamos-neutrinos/).

El detector de materia obscura XENON1T, consta de un tanque lleno de xenón. Si un WIMP impacta un átomo de xenón, se liberan fotones (paquetes de energía, luz) y electrones que pueden ser detectados.

Figure caption
XENON1T; adapted by APS/Alan Stonebraker

XENON1T mostró detecciones muy particulares.
No se ajustan a los WIMPs esperados, por lo que se plantean partículas alternativas como generadoras de esas detecciones.

Podrían tratarse de neutrinos, pero los neutrinos estándar no pueden generar ese tipo de detección. Así, de tratarse de neutrinos, éstos tendrían características no predichas por la teoría estándar (tendrían mayor momento magnético).
Podría tratarse de partículas llamadas AXIONes.
Estas partículas de origen Solar aparecen cuando interaccionan electrones con otras partículas.
Pero si los AXIONes y los neutrinos no estándar fueran producidos por el Sol en tanta cantidad como para ser detectados por XENON1T, también debería ser producidos por otras estrellas. Esto repercute en la evolución estelar haciendo que se acelere el enfriamiento y no deberían haber tantas estrellas enanas blanca brillando como hay.

Luego se piensa que puede estar detectando materia obscura pero no en forma de los WIMPs esperados. Podría tratarse de AXIONes de mayor masa o de fotones obscuros, un tipo de fotón relacionado con la materia obscura, masivo y de menor interacción con la materia que el fotón convencional.
La otra posibilidad, es que se trate de “ruido” generado dentro del detector a través de procesos (como el decaimiento) de ciertos isótopos que pueden haber en él.
Para discernir qué está ocurriendo son necesarias más detecciones.

Referencia:
Dark Matter Detector Delivers Enigmatic Signal | APS Physics oct. 12, 2020 | Tongyan Lin | https://physics.aps.org/articles/v13/135

Fuentes:
1. E. Aprile et al. (XENON Collaboration), “Excess electronic recoil events in XENON1T,” Phys. Rev. D 102, 072004 (2020). | http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevD.102.072004
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3. M. M. Miller et al., “Revisiting the axion bounds from the Galactic white dwarf luminosity function,” J. Cosmol. Astropart. Phys. 2014, 069 (2014). | http://dx.doi.org/10.1088/1475-7516/2014/10/069
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5. M. Pospelov et al., “Bosonic super-WIMPs as keV-scale dark matter,” Phys. Rev. D 78, 115012 (2008). | http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevD.78.115012

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