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¿Propiedad repulsiva de la materia obscura?

Es sabido lo elusiva que es la materia obscura.
Su existencia fue sugerida al observar que la velocidad de las estrellas en las afueras de las galaxias es mayor a la esperada. Así, es necesario la existencia de esta materia para mantener unidas a las estructuras galácticas. Llama la atención que esta materia se detecta gravitacionalmente y no de otra manera; de ahí su calificativo de obscura.

Por un lado se pensó que podría tratarse de nubes de materia ordinaria muy difíciles de observar a grandes distancias.
Por otro, se desarrollaron teorías sobre esta materia según las cuales estaría compuesta por WIMPs, que serían partículas masivas de muy baja interacción (Wikipedia, https://es.wikipedia.org/wiki/WIMP).
De estar compuesta por este tipo de partículas, éstas serían sus propias antipartículas. Al encontrarse dos WIMPs. se aniquilarían generando otras partículas y liberando cierta energía.
También, deberían interactuar con la materia ordinaria. Los WIMPs chocarían con o partículas sub-atómicas provocando el retroceso de las mismas. Si atraviesan una estrella, chocarían con átomos o partículas sub-atómicas y deberían frenarse para luego chocar entre ellos y liberar energía y generar otras partículas (neutrinos) detectables (pdp, 09/may.72013, Neutrinos por decaimiento de materia obscura, https://paolera.wordpress.com/2013/05/09/neutrinos-por-decaimiento-de-materia-obscura/).
Luego, si la materia obscura es tan común, podría estar en todas partes; incluso en la Tierra, entre nosotros, hasta dentro nuestro. En tal caso, habría sido detectada en nuestras cercanías de otra manera que no sea gravitacionalmente; o sea por interacción con la materia ordinaria.
Pero esto nunca sucedió.

Una teoría reciente (abril 2017) sugiere asimetrías en la materia obscura, tales que a gran escala es gravitacionalmente atractiva con la materia ordinaria, pero a pequeña escala es repulsiva.
Astronómicamente, una pequeña escala es un tamaño planetario, como el de la Tierra. Así, la materia obscura no estaría entre nosotros, ni cerca, ni dentro, por haberse alejado por repulsión en algún momento. Esto ayuda a explicar la falta de la tan buscada interacción con la materia ordinaria; porque cerca de ella comienza a alejarse.
En el origen del Universo, ambas estaban lo suficientemente cerca como para repelerse hasta que comenzaron a atraerse desde cierta distancia.

Entonces, la Tierra, el Sol, todo el Sistema Solar, se movería desplazando materia obscura de sus vecindades creando flujos de la misma a medida que se desplazan por el espacio.
Luego, la materia obscura existiría a grandes distancias donde puede ejercer gravedad ordinaria, tal vez hasta formando objetos de materia obscura.

Fuente:

pdp.

¿Se está mostrando la materia obscura?

Las galaxias se caracterizan por ser grandes sistemas donde hay falta de masa.
Se sabe que la materia bariónica (materia ordinaria formada por bariones: electrones, protones, neutrones) no alcanza para mantener la dinámica de las galaxias.
La masa dinámica, es la medida en base a las movimientos de las componentes galácticas. En nuestra Galaxia y en galaxias como la nuestra, la suma de las masas del disco y del bulbo, no dan sustento a la dinámica observada. Las estrellas más lejanas se mueven más rápido de lo esperado por lo que la galaxia debería desarmarse, a menos que exista una clase materia que se encargue de mantener gravitacionalmente unido al sistema; esa es la materia obscura.
Algunos argumentaron que la elusiva materia obscura eran nubes de dihidrógeno molecular (H2) las cuales son de muy difícil detección observacional (pdp, 29/abr./2013, ¿La materia obscura son nubes de dihidrógeno?, https://paolera.wordpress.com/2013/04/29/la-materia-obscura-son-nubes-de-dihidrogeno-h2/)

Se conocía la existencia de nubes de Hidrógeno caliente en las vecindades de la galaxia. Ahora, en la Vía Láctea, se detectó la existencia de Hidrógeno frío que se extiende a cientos de miles de años luz de distancia. Eso alcanza a las vecinas nubes de Magallanes y está en los dominios de la materia obscura.

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Ilsutración de la nube de hidrógeno frío abarcando la Víla Láctea y Nubes de Magallanes publicada en Astronomy magazine, crédito de NASA/CXC/M.Weiss; NASA/CXC/Ohio State/A.Gupta et al.

Esta nube tiene unos 11000ºC a 12000ºC y muestra algunas velocidades que alcanzan para escapar de la Galaxia. En general, el movimiento de la nube no es de rotación en torno a la Vía Láctea, ni está precipitando ni escapando.
Se la detectó en base a la observación de la luz de galaxias lejanas. Esa luz trae información de la materia que atravesó al salir de aquellas galaxias y de la que atravesó al llegar a la nuestra. En ambas situaciones, aparecen evidencias de la absorción de luz o energía por parte de esa materia atravesada. Como la nube es muy débil, la absorción también lo es y es difícil de detectar. Recién ahora, con la gran cantidad disponible de observaciones de galaxias lejanas, se pudo detectar la presencia de esa nube a través de su absorción.
¿Puede ser esta nube la tan elusiva materia obsura?
Si no lo es: ¿están conviviendo en las mismas regiones?
Cha cha cha chaaaaaaannnnn….

Referencia:

Fuente:

pdp.

Detectando filamentos de materia obscura.

La elusiva materia obscura no puede observarse pero puede detectarse gravitacionalmente.
Esta materia, es la responsable de mantener unidas a las galaxias y grandes estructuras galácticas, como la pegatina necesaria para que no se desarmen.
Se estima que forma el 27% de la materia del Universo. Se la encuentra en las galaxias, en sus halos, en los filamentos de materia que une galaxias, en cúmulos de galaxias y en todas las estructuras galácticas existentes.

No puede ser observada pero puede detectarse según su interacción con objetos vecinos. Se han medido variaciones en el espectro de estrellas coherentes con las que se producirían si la estrella estuviese absorbiendo materia obscura (pdp, 09/nov./2016, Oscilaciones estelares por acreción de materia obscura, https://paolera.wordpress.com/2016/11/09/oscilaciones-estelares-por-acrecion-de-materia-obscura/). Tal vez hasta existan estrellas de materia obscura (pdp, 13/ene./2015, Las estrellas obscuras podrían existir, https://paolera.wordpress.com/2015/01/13/las-estrellas-obscuras-podrian-existir/). Si esta materia es tan común, hasta podría estar presente en los planetas, incluso en el nuestro.

Pero el principal método de detección de materia obscura se basa en la gravitación.
Esta materia puede desviar gravitacionalmente la luz de objetos lejanos como si se tratase de una lente. De hecho, esto se ha verificado en las imágenes de objetos lejanos detrás de galaxias o cúmulos de galaxias, donde la materia obscura abundante en esos sistemas desvía la luz de esos objetos más lejanos. Así es que se observan varias imágenes simétricas o distorsionadas de objetos lejanos causadas por la gravedad de la materia obscura presente en el camino hacia nosotros.

Siempre se sospechó de la existencia de los filamentos de materia obscura entre galaxias vecinas.
Se observó pares de galaxias cercanas entre sí, tanto realmente vecinas como aparentes vecinas en perspectiva. Estudiando la luz de objetos lejanos y detrás del par de galaxias (luminosas rojas), como también las simetrías de imágenes de las mismas características, se puede estimar la masa y distribución de filamentos de materia obscura, necesarios para producir el efecto observado.

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Imagen en falso color donde se aprecian en color blanco pares de galaxias vecinas (superior) y vecinas aparentes (inferior). Imagen publicada en el trabajo de Seth D. Epps & Michael J. Hudson.

En la imagen superior se puede apreciar la distribución de materia obscura en un filamento que une a ambas galaxias realmente vecinas entre sí. La masa involucrada en este filamento es de unos 16 billones (millones de millones) de masas solares.

En la imagen inferior, las galaxias no son realmente vecinas y no se aprecia la existencia de filamentos de materia obscura entre ellas.

Referencia:

Fuente:

pdp.

La materia obscura era menos influyente en la juventud del Universo.

La materia obscura es una importante componente del Universo que se detecta gravitacionalmente pero no es observable (al menos hasta marzo del 2017) (https://es.wikipedia.org/wiki/Materia_oscura).
Es la que mantiene armadas a las galaxias, de lo contrario se desmenuzarían por su rotación.
Además es la responsable de que las partes exteriores de la galaxia giren a mayor velocidad que la predicha por la teoría considerando sólo la materia ordinaria.
Al observar galaxias lejanas, las observamos más jóvenes con la distancia debido al tiempo que tarda su luz en llegarnos. En ellas, se ha medido velocidades de sus regiones exteriores menores que las observadas en galaxias más cercanas.

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Ilustración crédito de ESO

Luego, la materia obscura no ejercía tanta influencia en los orígenes de las galaxias.
Eso sugiere que le llevó más tiempo condensarse a la materia obscura que a la ordinaria.

Referencia:

Fuente:

  • eso1709 — Science Release, Dark Matter Less Influential in Galaxies in Early Universe. LT observations of distant galaxies suggest they were dominated by normal matter, 15 March 2017.
    https://www.eso.org/public/news/eso1709/

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¿Oscilaciones estelares por acreción de materia obscura?

La materia obscura (MO) es la pegatina que mantiene unidas a las galaxias.
Su nombre se debe a que se la detecta gravitacionalmente pero no observacionalmente.
Es la mayor componente masiva del Universo con casi el 30% de la masa.
Se especula con que si es tan común, posiblemente esté presente en la Tierra y hasta puedan existir estrellas de MO, llamadas estrellas obscuras, incluso con planetas de MO.

Según trabajos en el área de la MO, se cree que una estrella puede sentir la acreción de materia obscura vecina. Una estrella que absorbe MO con cierta frecuencia, debería mostrar variaciones o modulaciones en su espectro (distribución de energía en las diferentes longitudes de onda) con las correspondientes oscilaciones.

El relevamiento digital del cielo conocido como Sloan (Sloan Digital Sky Survey – SDSS) se encarga de tomar espectros de gran cantidad del estrellas.
Entre los espectros de 2,5 millones de estrellas, se detectaron variaciones espectrales correspondientes a oscilaciones ultra rápidas, de 0,6 THz (600000000000 osclaciones por segundo).
Esta frecuencia de oscilación, luego de analizar posibles errores de medición, es coherente con las esperadas en estrellas por acreción de MO.
Las oscilaciones fueron observadas en unas 230 estrellas de la región Norte del Halo galáctico, de las cuales, la mayoría, casi 150 estrellas, son de tipo espectral F.

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Histograma mostrando la cntidad de estrellas con oscilaciones ultra rápidas por tipo espectral – Publicado en el trabajo de Fabrizio Tamburini & Ignazio Licata.

Aproximadamente 50 estrellas son de tipo G y K, y la minoría de tipos A y M.
Posiblemente, las de tipo F tienen mejores condiciones para generar la oscilaciones predichas por la teoría ante acreción de MO. Es probable que las de tipos A y M (tempranas y tarías) no puedan tener o mantener un régimen de oscilaciones.

Fuente:

  • Can the periodic spectral modulations of the 236 SETI candidate Sloane Survey stars be due to Dark Matter effects?,  Fabrizio Tamburini & Ignazio Licata, 08/nov./2016.
    https://arxiv.org/pdf/1611.02586v1.pdf

pdp.

Posibles grumos de materia obscura.

La materia obscura, es la que mantiene unida a las galaxias y cúmulos de galaxias.
Estas grandes estructuras viven dentro de esa materia que no se observa pero se detecta su presencia gravitacionalmente. Mucho se habló de ella, hasta se pensó que podía tratarse de nubes de hidrógeno molecular, las que son muy difíciles de detectar.
Como todo tipo de materia, podría formar estructuras. Nubes, grumos, estrellas y hasta planetas de esa materia. Si es tan común, hasta podría estar cerca nuestro.

Artist's impression of dark matter clumps around a Milky Way-like galaxy

Ilustración de grumos de materia obscura rodeando la Galaxia – Crédito: V. Belokurov, D. Erkal, S.E. Koposov (IoA, Cambridge). Photo: Color image of M31 from Adam Evans. Dark matter clumps from Aquarius, Volker Springel (HITS).

En las afueras de la Vía Láctea, hay corrientes estelares. Grupos de estrellas que se mueven en un tren estelar. Se producen por la disrupción gravitacional de cúmulos o pequeñas galaxias cercanas por parte de la Vía Láctea.
Si en esas regiones hay cadenas de estrellas y materia obscura capaz de formar estructuras, es posible que existan grumos de esa materia interactuando con esos trenes de estrellas.
En tal caso, se debería observar cadenas de estrellas con intervalos o huecos producidos por las estrellas arrancadas gravitacionalmente por los grumos obscuros al atravesar esas estructuras.

Palomar 5, es un cúmulo globular que orbita el centro galáctico en una trayectoria que lo lleva hacia las afueras de la galaxia. La interacción con ella, produjo un tren de estrellas, el que muestra intervalos estelares.

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Ilustración de la trayectoria de Palomar 5 en la Vía Láctea. Gráfico publicado en: astroperseo.org

Se observaron dos evidentes intervalos, uno mayor que otro. Luego, esos intervalos podrían ser los causados por los supuestos grumos de materia obscura. Según los cálculos, esos grumos tendrían entre 1 millón y 100 millones de masas solares cada uno.

Aquí el resultado de la simulación que reproduce los intervalos observados como debidos al impacto de grumos de materia obscura.
En la parte superior se observa una cadena de estrellas sin pertubar. En la inferior, la misma cadena perturbada por grumos de materia obscura.

De ser así, ésta sería una evidencia de la capacidad de la materia obscura de formar estructuras.

Referencias:

Fuente:

  • A sharper view of Pal 5’s tails: Discovery of stream perturbations with a novel non-parametric technique, Denis Erkal et al, preprint 7/9/2016.
    http://arxiv.org/pdf/1609.01282v1.pdf

La ultradifusa Dragonfly 44, es casi toda materia obscura.

Ya sabemos que la materia obscura se manifiesta gravitacionalmente sin hacerlo electromagnéticamente.
Es por ese motivo que no la podemos ver, pero sí detectar a través de su interacción con la materia ordinaria. Por ejemplo, se encarga de mantener armadas a las galaxias, como un pegamento gravitacional responsable de hacer que sus estrellas no se disipen al espacio extragaláctico.
Se estima que en el Universo hay cinco veces más materia obscura que ordinaria.
En una galaxia, su masa no es sólo la que vemos en sus estrellas y material interestelar. Hay que tener en cuenta la materia obscura. Esta puede ser calculada observando su acción gravitacional sobre las estrellas. En el caso de la Vía Láctea, se estimaba una masa total ronda el billón (millón de millón) de masas solares, cosa que aún se está estudiando. Se estima que en la Vía Láctea, casi el 90% de la materia es obscura.

En la constelación de Coma Berenices, se encuentra un cúmulo de galaxias, el cúmulo de Coma. En él se encuentra la galaxia ultra difusa Dragonfly 44 (Libélula 44 ¿…?).

Dragonfly44

Imagen de Dragonfly 44 crédito de Pieter van Dokkum, Roberto Abraham, Gemini Observatory/AURA.

Esta galaxia tiene apenas menos de la centésima parte de estrellas que la nuestra. Éstas están relacionadas a toda esa galaxia por una masa comparable a la de la Vía Láctea. Dragonfly 44 posee casi 100 cúmulos globulares y se supone que debe ser muy masiva, de lo contrario, estas galaxias fallidas no podrían sobrevivir en el cúmulo donde se encuentran. Todo arroja un resultado asombroso, Dragonfly 44 está compuesta en un 99,99% de materia obscura.

 

Referencias:

Fuente:

pdp.