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Las cúspides de halos de materia obscura podrían no ser reales.

A mis ex-alumnos de Simulaciones.

Un amigo dice que donde mueren las palabras nace la música.
Podríamos decir que en Ciencia, donde muere el estudio analítico nace la simulación.

Con las computadoras, comenzaron las simulaciones numéricas. Podemos introducir las ecuaciones que describen el comportamiento de un sistema y ver qué le sucede bajo ciertas condiciones.
El problema de dos cuerpos, en el que dos masas interaccionan gravitacionalmente, tiene solución analítica, es decir, con lápiz y papel. El problema de tres cuerpos se resuelve analíticamente bajo ciertas condiciones, donde uno es del dominante y otro tiene masa despreciable frente a los otros dos. Ya, para resolver el de N cuerpos, el estudio analítico es imposible y hay que recurrir a la simulación. Se codifican las ecuaciones de movimiento de un cuerpo bajo la acción gravitatoria de los otros, y se hace evolucionar el sistema para ver su comportamiento.
Así pudimos confirmar la estabilidad del Sistema Solar, analizar el resultado de colisiones de galaxias y de formación de sistemas estelares.

Video: Star cluster simulation.

F.I. Pelupessy

Hoy en Día, se realizan simulaciones para probar la validez de teorías y modelos según representen lo que se observa. Luego, en caso favorable, se puede extrapolar y predecir el comportamiento del sistema en estudio.
En simulaciones numéricas, hay errores técnicos relacionados con el sistema que se usa para la emulación. Por un lado están los errores de truncamiento. Estos errores aparecen cuando utilizamos desarrollos en serie o aproximaciones de las expresiones algebraicas. Contra menos términos de la serie se consideren, o mayor sea la aproximación, mayor será el error aunque se ahorra tiempo de proceso.
Para reducirlo ese error, debemos tomar más cantidad de términos de los desarrollos en serie, lo que nos da mayor precisión aunque se agregue tiempo de cálculo, pero eso puede generar un error de redondeo. Eso se debe a las características de las variables del lenguaje de programación usadas para almacenar los datos.

Recordemos que la materia obscura no es observable y es la que mantiene gravitacionalmente unida a las estructuras galácticas. Sin ella, sus estrellas más alejadas escaparían y las galaxias se desmenuzarían.

En su juventud, el Universo mostraba una densidad de materia bastante uniforme con una intrincada red de imperfecciones y fluctuaciones en todas las escalas que originaban variaciones de densidad.
A gran escala, digamos a escalas cósmicas, la fluctuaciones son pequeñas y el problema de su evolución se puede resolver analíticamente. En Cosmología se lo conoce como régimen lineal.
A escalas menores, digamos a escalas galácticas, nos alejamos del régimen lineal y son necesarias las simulaciones ya que las fluctuaciones de densidad de materia son mayores. Teniendo en cuenta la acción gravitacional de la materia obscura, se llega a que aparecen halos de esta materia muy densos en su centro. Esa densidad disminuye hacia afuera con cierto ritmo, y luego de una determinada distancia, desciende con mayor rapidez.
A eso se lo llama cúspides de halos (o halos cúspides).
Según esto, todas las galaxias deberían mostrar grandes concentraciones de materia en su parte interior, donde los objetos masivos convergen luego de varias interacciones. Más afuera, se ubican los más livianos con la posibilidad de llegar a escapar.
Pero sucede que en las galaxias de baja masa, los objetos centrales muestran velocidades que corresponden a densidades centrales constantes.
Luego, las cúspides de halos podrían ser un efecto no real observado en las simulaciones producido por errores numéricos; más precisamente, en las aproximaciones de los algoritmos que describen la gravitación en el núcleo del halo, donde hay muchas partículas interactuando en una pequeña región.

Esta falla a pequeña escala no derriba la existencia de la materia obscura, la que permanece sin dudas a grandes escalas cósmicas.

Referencia:

Fuente:

pdp.

La partícula X17 podría no existir.

La Matemática es constructivista, se erige sobre ella misma.
Pero éste no es el caso de la Física. En ella, un descubrimiento puede derrumbar los modelos existentes y luego se rehace una nueva teoría que incluye las nuevas evidencias.
Incluso hay diferentes teorías para diferentes escenarios; por ejemplo, la Física Clásica para bajas energías y la Relatividad para altas energías, sin olvidar la Cuántica para el mundo microscópico.

En la Naturaleza hay cuatro fuerzas fundamentales.
La gravitatoria, que es la fuerza atractiva que ejercen las masas de los cuerpos; la electromagnética, que es la que ejercen las cargas eléctricas; la nuclear fuerte, que es la que mantiene unidos a los protones en el núcleo atómico y la nuclear débil que es la responsable de la desintegración radiactiva donde se producen nuevos elementos.

Cuando se hacen experimentos de colisión de partículas, se busca analizar la estructura de las partículas que chocan. En esos procesos, se dan eventos de creación de pares de partículas – antipartículas que se separan bajo un cierto ángulo.
Estas experiencias, están respaldadas por modelos que predicen cuántos eventos de creación de estas partículas se darán con determinados ángulos de separación entre ellas. La teoría predice mayor cantidad de eventos con pequeños ángulos y menor cantidad para grandes separaciones, tendiendo a anularse hacia los 180°.
En una experiencia de este tipo, se encontró una mayor cantidad de eventos para ángulos de 140° que lo que predecía la teoría. A esto se lo llamó anomalía Atomki.

anomaliaX17

Exceso de señal indicado en rojo por E. Siegel adjudicado a la anomalía Atomki – (A.J. KRASZNAHORKAY ET AL., 2016, PHYS. REV. LETT. 116, 042501).

Esta anomalía fue adjudicada a una nueva partícula (un bosón liviano) llamada X17.
La “X” se debe a que era desconocida hasta el momento y no dispone de un mejor nombre y “17” se debe a su masa medida en unidades de energía (electrón Volts [eV]) ya que la masa es una forma de energía. Esta partícula sería responsable de una quinta fuerza natural, y siguiendo con el hilo de la teoría explicativa, estaría relacionada con la fuerza que ejerce la materia obscura en su acción de mantener “armadas” a las galaxias.

Ahora bien; en la Naturaleza, suelen haber varias causas para un mismo efecto, y hay que buscar cuál es la más probable.
Si la materia obscura es tan abundante en el Universo, ¿cómo es que esta partícula no fue detectada en experimentos de colisión anteriores?
En experiencias de este tipo, es fundamental la calibración de los instrumentos involucrados. Una mala calibración nos dará una mala visión de lo sucedido. En el caso de la anomalía Atomki, es más probable que se trate de una mala calibración de los instrumentos que de la existencia de una nueva partícula.

Si la partícula realmente existe, deberá “aparecer” en todos los experimentos del mismo tipo realizados bajo las correspondientes configuraciones.
La historia de la Física está plagada de afirmaciones fantásticas que se desmoronaron bajo un escrutinio más detallado | Don Lincoln, físico de partículas (https://en.wikipedia.org/wiki/Don_Lincoln).

Referencia:

Fuentes:

pdp.

Se observan 19 galaxias con poca materia obscura.

Cuando hallamos un objeto raro, lo colocamos en la bolsa de las cosas raras; el problema comienza cuando esa bolsa se llena.
Algo similar ocurre con las galaxias de poca materia oscura (MO).
Recordemos que esa materia es la responsable de que las galaxias no vean desmenuzarse sus partes más alejadas; esa materia mantiene a las estrellas más lejanas unidas a la galaxia. Recibe su nombre porque no es observable y sólo se la detecta gravitacionalmente. Mucho se conjetura acerca de su naturaleza (La materia obscura dinámica | pdp, https://paolera.wordpress.com/2018/07/29/la-materia-obscura-dinamica/).

La observación de galaxias lejanas, sugiere que la MO no era tan influyente en los comienzos del Universo (La materia obscura era menos influyente en la juventud del Universo | pdp, https://paolera.wordpress.com/2017/03/15/la-materia-obscura-era-menos-influyente-en-la-juventud-del-universo/).

Las galaxias enanas catalogadas como DF2 y DF4, fueron las primeras en mostrar poco o nada de MO. Al principio se dudó de las mediciones, pero luego se confirmó las sospechas de que tienen escasa MO (DF2 y DF4 serían galaxias carentes de materia obscura | pdp, https://paolera.wordpress.com/2019/10/22/df2-y-df4-serian-galaxias-carentes-de-materia-obscura-despues-de-todo/).

Pero la bolsa de las galaxias sin MO comenzó a llenarse.
Estudiando una 324 galaxias enanas, se encontraron con que 19 de ellas eran carentes de MO.

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Imagen de NGC 5477, una enana con poca materia obscura – crédito: HUBBLE/ESA & NASA

Analizando brillos y movimientos de gases y estrellas en esas galaxias, se puede estimar la masa total involucrada. Comparándola con la observable se calcula la MO.
Por ejemplo: la catalogada como AGC 213086, muestra tener una masa total de 14 mil millones de Soles. En un caso típico, solamente el 2% sería materia ordinaria (gas y estrellas), pero esta galaxia muestra que el 27% de su masa está dada por materia ordinaria.

De esas 19 galaxias, todas dentro de los 500 millones de años luz de casa, sólo 5 están cerca de otras galaxias que les pudieron arrebatar MO. El resto está lejos de otras galaxias y quizás hayan perdido MO por radiación de gran cantidad de estrellas jóvenes y por explosiones estelares.
Para algunos, estas galaxias no tienen poca MO sino mucha materia ordinaria. Tal vez, en su juventud, pudieron haber absorbido materia ordinaria de alguna vecina.
Quizás estas galaxias tuvieron un origen diferente al de la mayoría.

Referencia:

Fuente:

pdp.

DF2 y DF4 serían galaxias carentes de materia obscura (después de todo).

La materia obscura es la responsable de que las galaxias no vean desmenuzarse sus partes exteriores.
Las estrellas más alejadas del centro de sus galaxias, tienen velocidades que les permiten escapar de ellas. Sin embargo no lo hacen. Esto se debe a la presencia de materia obscura que las retiene gravitacionalmente. Esta materia no es observable y sólo se la detecta por efectos gravitacionales, de ahí su nombre.

Resultó que se observaron dos galaxias ultradifusas; NGC 1052-DF2 y NGC 1052-DF4 (o simplemente DF2 y DF4) que no tendrían materia obscura.

DF2

Imagen de DF2 crédito de Dokkum et al

De esta manera, sus estrellas más alejadas muestran velocidades que les permiten seguir vinculadas a sus galaxias.
Luego, se explicó este misterio a través de las distancias. Al parecer, estas galaxias estarían más cerca de lo pensado y bajo esas nuevas condiciones, las medidas de luminosidades y velocidades implican que tienen materia obscura como las otras galaxias (Se explicó la rareza de NGC 1052-DF2…, | pdp, https://paolera.wordpress.com/2019/06/04/se-explico-la-rareza-de-ngc-1052-df2-ahora-kks-2000-04/).

Un trabajo más reciente, muestra que las distancia a DF2 es de unos 60 millones de años luz, valor que coincide con la primer medida. Así, se desestima el valor de 40 millones de años luz que se adoptó como distancia más cercana. Luego, se confirman las distancias y luminosidades antes calculadas para DF2 y DF4, y de esta forma, también se confirman como galaxias desprovistas de materia obscura.

De ser esta situación, habría que explicar cómo es que estas galaxias no tienen materia obscura.
Por un lado, las galaxias pudieron tener una abundante y brusca producción estelar. La enorme presión de radiación pudo expulsar la materia obscura de estas galaxias (Ley de Gravitación Modificada o Materia Obscura… | pdp, https://paolera.wordpress.com/2018/09/10/ley-de-gravitacion-modificada-o-materia-obscura-las-galaxias-enanas-deciden/).
Por otro lado, en interacciones gravitatorias entre galaxias, suele haber pérdida de materia ordinaria al espacio intergaláctico. Las grandes galaxias elípticas como NGC 1052, son el resultado de fusión de galaxias, y en esos encuentros se puede dar pérdida de materia o eyecciones de material. Incluso, se puede dar puentes de materia entre galaxias que pasan cerca una de otra.
Esta gran cantidad de materia ordinaria expulsada, puede recolapsar y dar origen a galaxias enanas difusas sin materia obscura como las vecinas a NGC 1052.
En ambos casos, las estrellas más alejadas del centro de estas galaxias que hayan adquirido suficiente velocidad para escapar, simplemente lo hicieron.

Referencia:

Fuentes:

pdp.

Se explicó la rareza de NGC 1052-DF2, ahora KKS 2000-04.

La galaxia difusa NGC 1052-DF2 se presentó como una galaxia con poco o nada de materia obscura (pdp, NGC 1052-DF2, una galaxia sin materia obscura, https://paolera.wordpress.com/2018/03/28/ngc-1052-df2-una-galaxia-sin-materia-obscura/)

Click to enlarge image

Imagen de DF2 ahora recatalogada como KKS 2000-04 obtenida por Obs. Gemini. Ampliación del centro donde se observan estrellas espacialmente separadas por HST.

Se la suponía a unos 60 millones de años luz (AL) de Casa, por lo que debía ser más grande que la Vía Láctea y con muchas menos estrellas que la Nuestra debido a su característica de difusa. Eso, junto con el estudio de sus cúmulos globulares, indicaba que esta galaxia tenía poco o nada de materia obscura. Se responsabilizaba de ello al brusco nacimiento de estrellas que con su radiación expulsaron materia de la galaxia o a la acción gravitatoria de otra galaxia que en una visita cercana absorbió gravitacionalmente toda esa materia.

Pero resultó que DF2 está más cerca que lo que se pensaba.
Su distancia fue sobrestimada. Está a un poco más de la mitad de la distancia pensada; se estima que se encuentra a unos 40 millones de AL de nosotros.
Con esta nueva distancia, las observaciones se relacionan con una información diferente.
Se trata de una típica galaxia de bajo brillo superficial, no tan grande como se creía antes, y el estudio de sus cúmulos globulares está relacionado a estructuras y luminosidades similares a los de otras galaxias. Ahora, las características de esta galaxia indican que tiene la materia obscura esperada para un sistema estelar de su tipo.
Se la renombra como KKS 2000-04 ya que su nueva distancia la excluye de estar relacionada con NGC 1052.

The Carnegie-Irvine Galaxy Survey (CGS)

¿Sucederá lo mismo con NGC 1052-DF4? (pdp, La untradifusa DF4, otra galaxia casi sin materia obscura, https://paolera.wordpress.com/2019/04/01/la-ultradifusa-df4-otra-galaxia-casi-sin-materia-obscura/). Recordemos que esta otra galaxia ultradifusa mostraba características similares a DF2 y se la consideraba a una distancia similar de nosotros.

Referencias:

Fuente:

pdp.

Los agujeros negros primordiales no alcanzan para ser la elusiva materia obscura.

En la búsqueda de la materia obscura se han conjeturado muchas cosas, una de ellas ya fue descartada.
La materia obscura, es la responsable de mantener unidas a las estructuras galácticas, sin ella, las partes exteriores de las galaxias se desmenuzarían. En esas regiones las estrellas se mueven más rápido de lo esperado y si no fuera por la materia obscura que las retiene gravitacionalmente, sencillamente escaparían.
Esta materia recibe el calificativo de obscura porque sólo se la detecta gravitacionalmente, no se la puede observar ni interactúa electromagnéticamente con la materia ordinaria.

Video:  ¿Qué es la Materia Oscura?

Instituto de Física Teórica IFT

Publicado el 11 sept. 2015.

Siendo el 85% de la materia existente, mucho se conjeturó sobre su naturaleza.
Se pensó que estaba formada por WIMPs, partículas de baja interacción con la materia ordinaria. También se pensó en nubes de Hidrógeno frías y por lo tanto de difícil detección. Se la consideró como un fluido (La materia obscura como fluido || Pablo Della Paolera); se llegó a pensar que esta materia no existía y que había que modificar la Ley de Gravitación (Ley de Gravitación Modificada o Materia obscura || Pablo Della Paolera). Hasta se pensó que se trataba de una familia de partículas con la capacidad de decaer o destruirse formando otras partículas (La materia obscura dinámica || Pablo Della Paolera). Otra idea se basaba en que si es tan común, debería estar entre nosotros; luego, a pequeñas escalas sería repulsiva.
No se tardó en pensar que la materia obscura y los agujeros negros eran la misma cosa (La materia obscura y los agujeros negros ¿son la misma cosa? || Pablo Della Paolera) .
Como resultado de asimilaciones de galaxias menores, en una gran galaxia pueden haber muchos agujeros negros sin detectarse. Eso puede deberse que están en regiones donde no hay materia para absorber y por lo tanto no hay emisión de radiación ni chorros de energía que los delate.
Así, desde las sombras, ejercen gravedad en forma de la elusiva materia obscura (debo reconocer que esta idea me resultaba atractiva).

Los agujeros negros son regiones de extrema gravedad. Se sabe que la luz se desvía cuando pasa cerca de una gran concentración de materia produciéndose lo que se conoce como lente gravitacional, ya que la luz tiende a enfocarse como por una lente convergente (una lupa).
De esta manera, cuando las estrellas de una galaxia pasan detrás de un agujero negro (o éste pasa delante de ellas) se debe observar una esporádica variación en su imagen o brillo, como si pasáramos una lupa rápidamente por un objeto luminoso puntual.
De hecho, así se detectó a la estrella individual más lejana (MACS J1149 LS1, la estrella más lejana observada individualmente || Pablo Della Paolera).
Esta estrella pasó detrás de una lente gravitacional, en este caso ejercida por una galaxia, y se vio magnificada por el “efecto lupa” que hizo que se desvíe hacia nosotros una mayor cantidad de su luz.

Se piensa que en el espacio interestelar, o sea dentro de una galaxia, hay agujeros negros primordiales. Éstos se habría formado en los albores del Universo, cuando aún había regiones de alta densidad. Estos objetos tendrían masas desde fracciones de miligramos a miles de masas solares. ¿Pueden este tipo de agujeros negros ejercer la atracción adjudicada a la materia obscura? O sea; ¿esta materia está dada por agujeros negros primordiales?

La galaxia de Andrómeda es la espiral más cercana que tenemos. Aprovechando su cercanía, fue observada pensando que, si la materia obscura que hay en ella está dada por una gran cantidad de agujeros negros primordiales vagando por ella, se debería observar ocasionales magnificaciones de estrellas por microlentes gravitacionales, lo que se evidenciaría como aleatorios y breves aumentos de luminosidades estelares.
Se detecto un sólo caso (el equivalente al 0,1% de lo esperado), lo que es muy poco relevante como para adjudicarles por completo a los agujeros negros el efecto de materia obscura (hay que ver qué origina el 99,99% restante de este efecto).

Referencia:

  • What is Stephen Hawking’s theory of Dark Matter and why it is ruled out?

Fuente:

  • Microlensing constraints on primordial black holes with Subaru/HSC Andromeda observations, Hiroko Niikura et al.

pdp.

La ultradifusa DF4, otra galaxia casi sin materia obscura.

La materia obscura es la que mantiene unida a las estructuras galácticas.
Sin ella, la galaxias se desarmarían, al menos su partes exteriores se verían perdiendo estrellas.
Observando galaxias lejanas, las vemos como eran en sus comienzos debido al tiempo que tarda en llegarnos su luz. Así se observaron galaxias que en su juventud no tenían demasiada materia obscura. Eso se evidenció por sus estrellas más alejadas del centro, las que rotaban más lentamente que las estrellas alejadas del centro en otras galaxias retenidas por materia obscura (La materia obscura era menos influyente en la juventud del Universo | Pablo Della Paolera – https://paolera.wordpress.com/2017/03/15/la-materia-obscura-era-menos-influyente-en-la-juventud-del-universo/).

Luego se descubrió una galaxia ultradifusa catalogada como DF2.

A photo of the DF2 galaxy

Imagen de DF2 crédito de  NASA, ESA, and P. van Dokkum [Yale University]


A 65 millones de años luz de Nosotros, con un tamaño similar al de la Vía Láctea pero con muchas menos estrellas, esta galaxia mostraba muy poca materia obscura (NGC 1052 – DF2, una galaxia sin materia obscura | Pablo Della Paolera – https://paolera.wordpress.com/2018/03/28/ngc-1052-df2-una-galaxia-sin-materia-obscura/).

Ahora se encontró otra galaxia ultradifusa con las mismas características; o sea, con casi nada de materia obscura. Se trata de la catalogada como NGC 1052 – DF4 a una distancia de Nosotros similar que DF2

Esto demuestra que la relación entre materia ordinaria y obscura es puramente gravitatoria.
La materia obscura puede se separada de una galaxia; posiblemente por un brusco episodio de generación de estrellas masivas y muy activas que expulsan a la materia obscura con su gran viento estelar (flujo de radiación y partículas). Otra opción, es que la materia obscura de estas galaxias haya sido absorbida gravitacionalmente por otra galaxia más masiva en algún encuentro cercano entre ambas; posiblemente la elíptica NGC 1052 a las que son vecinas.

Referencia:

Fuente:

pdp.