La materia oscura es un verdadero dolor en el cuello.
El término materia oscura en sí misma se refiere a una sustancia hipotética que parece interactuar únicamente con el resto del universo a través de la gravedad y a servir como andamios para las galaxias y otras estructuras cósmicas masivas. Las partículas reales de la materia oscura tienen nunca ha sido encontradosin embargo, a pesar de décadas de esfuerzo intensivo para descubrirlos. En consecuencia, algunos críticos descartan el concepto como un mero factor de dulce de azúcar que los físicos usan para apuntalar sus teorías incompletas de cómo funciona el universo. Pero ya sea que la materia oscura sea algo “real” o un producto útil de la imaginación de los teóricos, simplemente hay demasiada evidencia para desear que el problema desaparezca.
Llámalo como quieras Obviamente hay algo muy extraño en el universo. Las estrellas en las afueras de las galaxias órbitan demasiado rápido. Las galaxias zumban en grupos demasiado rápido. Los hilos ricos en materia de la red cósmica se unen demasiado rápidamente. Y hay muchos más ejemplos.
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Cada intento de relegar la materia oscura al sótano de las ideas de física descartadas, como modificando la fuerza de la gravedad Para acomodar todas las peculiaridades observacionales asociadas, ha fallado: Hard. Si bien es imposible descartar tales enfoques, nunca se sabe lo que un teórico inteligente podría cocinar mañana, un medio siglo de cultivo aún no ha producido ningún fruto satisfactorio.
Décadas de evidencia tienen en gran medida descartó a los candidatos obvios para materia oscura que se han inspirado en la física de alta energía. Pero la física de alta energía no es el único juego en la ciudad. Hay otros campos, incluida la física de la materia condensada, la rama de la física que examina las propiedades de grandes colecciones de materia, como cómo todos los átomos en un panel de vidrio conspiran para hacerlo transparente. Este campo de la física tiene sus propios esquinas extrañas, como El extraño mundo de la superconductividad. Y estas esquinas son lo suficientemente extrañas como para proporcionar una inspiración potencialmente útil para comprender el rompecabezas de la materia oscura.
Nuestra mejor suposición sobre la naturaleza de la materia oscura es que hay alguna forma de materia que no interactúa con la luz, o realmente mucho más o incluso en sí misma. (Es cierto que esto no es una gran suposición, pero es el mejor que tenemos). Este asunto toma la mayor parte de casi todas las galaxias y estructuras más grandes, y simplemente se sienta allí, existente, que se conoce solo a través de sus tiros gravitacionales en la materia visible.
Cada línea de investigación cosmológica apunta a la humilde comprensión de que Solo una fracción delgada del asunto en el universo se ilumina. Después de siglos de esfuerzo, desarrollando el tabla periódicael zoológico de partículasel Modelo estándar de física de partículaslas fuerzas de la naturaleza y todo lo demás, ahora sabemos que apenas hemos arañado la superficie.
Pero la ciencia es un viaje solo para los humildes, por lo que tenemos solo una opción frente a nosotros: en adelante.
Tenemos muchas herramientas poderosas a nuestra disposición en nuestros viajes a través de los rincones oscuros del universo. Una herramienta es nuestro conjunto de observaciones, mediciones tomadas a escamas de lo galáctico a lo cósmico que abarcan la amplitud del universo observable y la profundidad del tiempo profundo. Todas estas observaciones informan y, en última instancia, juzgan, cualquier teoría de candidatos. Podemos estar en la oscuridad sobre la materia oscura es, Pero tenemos un muy buen sentido de lo que hace. Si tiene su propia idea para explicar la materia oscura, entonces debe pasar por el crisol de las observaciones intactas. Si una idea falla en cualquier lugar del camino, seguimos adelante y probamos la siguiente.
La otra herramienta poderosa es la física misma, nuestra exploración matemática del mundo. No entendemos completamente la materia oscura, su identidad, características o interacciones con el resto del universo. Pero sabemos, para diferentes grados de confianza, lo que está haciendo el resto del universo. La materia oscura es como una pieza que falta en un rompecabezas; No sabemos cuál es la pieza, pero sabemos aproximadamente la forma que tiene que tomar.
Cualquiera que sea la materia oscura, debe obedecer las leyes de la física (incluso si aún no conocemos todas esas leyes).
Por ejemplo, cuando el universo tenía menos de un minuto de edad, la materia oscura debe haberse desconectado de alguna manera de la materia normal (un proceso llamado “congelamiento”) para obtener la cantidad correcta de hoy en día que inferimos de las observaciones. Así es como se nos ocurrió a nuestro candidato principal para la materia oscura, el Wimpo partícula masiva que interactúa débilmente. Tuvimos algunas partículas hipotéticas generadas en las teorías de la física que, si fueran activas y abundantes y generalmente en el universo, habrían hecho naturalmente exactamente eso.
Pero Todavía tenemos que detectar directamente un WIMPy su Se ha demostrado que las bases teóricas están en hielo delgado.
Así que vamos.
También hay el axiónotra partícula hipotética procedente de la física de alta energía y una que es billones de veces más ligera que la WIMP. Si el Axion existe y tiene las propiedades correctas, también podría hacer todas las cosas que sabemos que necesitamos hacer una materia oscura.
Pero todavía tenemos que detectar directamente un axion, aunque para ser justos, no hemos buscado axiones casi tan extensamente como los Wimps, simplemente porque Se pensó que los wimps eran un ahoo-in para la materia oscura.
Así que vamos.
En mayo, Guanming Liang y Robert Caldwell, ambos en Dartmouth College, publicaron un artículo en Cartas de revisión física en el que ofrecieron a su propio candidato a la materia oscura. Un pesimista podría mirar este estudio y rodar los ojos: “Oh, alegría, otra propuesta para una partícula candidata, probablemente la enésima parte solo de este mes, que es casi seguro que es incorrecta, solo otra puñalada aleatoria en la oscuridad, otro hilo de espagueti lanzado contra el refrigerador de la cosmología”.
Esa respuesta sería justa. Este modelo es probablemente, no, casi seguro, Pero eso se debe a que la mayoría de los modelos están equivocados la mayor parte del tiempo. Si supiéramos la respuesta con anticipación, no tendríamos que estar haciendo ciencia. Solo podemos encontrar la respuesta correcta examinando a todos los equivocados, recogiendo el trigo de la paja, intentando una y otra vez hasta que encontremos algo digno.
Pero solo sabemos cuándo lo intentamos.
Y admirablemente, la modelo de Liang y Caldwell no solo intenta, sino que intenta algo de verdad nuevo. En lugar de inspirarse en la física de alta energía, con partículas hipotéticas derivadas de esta o aquella interacción exótica, los autores buscan física de la materia condensada y especialmente la naturaleza extraña de la superconductividad.
En un conductor regular, los electrones transportan electricidad, pero también ofrecen resistencia. Sin embargo, a temperaturas suficientemente bajas y en los materiales correctos, los electrones se condensan, o, por así decirlo, se congelan.Arreglarse en parejas en una configuración de menor energía. Esto elimina la resistencia eléctrica y hace que la magia de la superconductividad suceda.
Por analogía, el modelo Liang y Caldwell ve la materia oscura como una sopa de partículas exóticas nacidas meros momentos después del Big Bangen la extraña era antes de que llegaran protones y neutrones. Esta sopa no interactúa con la materia normal, pero tampoco necesariamente no tiene masa por sí sola. A medida que el cosmos se expande y se enfría, las partículas de materia oscura se condensan y se agrupan, formando “gotas” masivas que continúan tienen su propia evolución separada, desconectada del resto de la materia visible en el universo, excepto a través de su influencia gravitacional.
Los cálculos son complejos y tentativos pero prometedores. La principal ventaja de este enfoque es que permite que un nuevo mecanismo cree una materia oscura en las condiciones embriagadoras en los primeros minutos después del Big Bang que no depende de los mismos pasos que sigue el procedimiento WIMP habitual. Y este modelo no solo recapitula la evolución de la materia oscura existente. Si las partículas exóticas tienen algo de masa, solo algunas de ellas se condensan para formar materia oscura. El resto se bloquea en su lugar como un fondo que satura el universopotencialmente interpretando el papel de energía oscurala fuerza misteriosa que parece estar acelerando la expansión del universo. Crucialmente, en este modelo, La energía oscura puede variar con el tiempoque se alinea con resultados tentativos Saliendo de las encuestas de Galaxy.
Estudios como estos son solo el primer paso: una verificación de plausibilidad que obtiene aproximadamente la cantidad correcta de materia oscura en aproximadamente el momento adecuado. Todavía queda por ver si esto puede explicar la montaña absoluta de evidencia que tenemos para la materia oscura: ¿puede explicar simultáneamente el amplio espectro de comportamientos que atribuimos a la materia oscura, desde las primeras épocas del cosmos hasta el universo moderno lleno de estrellas?
¿Y puede pasar la prueba final de todos? ¿Puede predecir la existencia de una partícula, o una gota de condensación de materia oscura, que algún día podríamos ver directamente por nosotros mismos?
La búsqueda de la verdadera naturaleza de la materia oscura es de hecho porque los obstáculos que cualquier modelo tiene que aclarar son numerosos, por decir lo menos. No creeremos este modelo, ni ninguna otra hipótesis, hasta que pueda tener éxito donde muchos otros han fallado.
Así que vamos.