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Astrofísicos aseguran que las partículas de materia oscura tienen carga eléctrica


Un dúo de astrofísicos de Harvard está proponiendo un nuevo modelo para el material invisible que compone la mayor parte del Universo: es posible que una pequeña fracción (menos del 1%) de partículas de materia oscura tenga una pequeña carga eléctrica, un millón de veces más pequeña que la carga en el electrón.

"Has oído hablar de autos eléctricos y libros electrónicos, pero ahora estamos hablando de materia oscura eléctrica. Sin embargo, esta carga eléctrica está en la más pequeña de las escalas", dijo el autor principal, el Dr. Julián Muñoz, de la Universidad de Harvard.

El Dr. Muñoz y su coautor, el profesor Avi Loeb del Centro de astrofísica Harvard-Smithsonian, exploran la posibilidad de que las partículas cargadas de materia oscura interactúen con la materia normal por la fuerza electromagnética.

Su trabajo coincide con los resultados recientes de EDGES. A principios de este año, los científicos de EDGES dijeron que habían detectado la firma de radio de la primera generación de estrellas y la posible evidencia de interacción entre la materia oscura y la materia normal.

Mientras tanto, el Dr. Muñoz y el Profesor Loeb ya estaban analizando las bases teóricas subyacentes.

"Podemos contar una historia de física fundamental con nuestra investigación sin importar cómo intérpretes el resultado de EDGES. La naturaleza de la materia oscura es uno de los misterios más grandes en la ciencia y necesitamos utilizar cualquier nueva información relacionada para abordarla", dijo el profesor Loeb.

La historia comienza con las primeras estrellas, que emiten luz ultravioleta. De acuerdo con el escenario comúnmente aceptado, esta luz ultravioleta interactuó con átomos de hidrógeno fríos en el gas que yace entre las estrellas y les permitió absorber la Radiación de Fondo de Microondas (RFM, por sus siglas en español), la radiación sobrante del Big Bang.

Esta absorción debería haber llevado a una caída en la intensidad de la radiación de fondo de microondas durante este período, que ocurrió menos de 200 millones de años después del Big Bang.

El equipo de EDGES afirmó haber detectado evidencia de esta absorción de luz RFM, aunque esto aún no ha sido verificado de forma independiente por otros científicos. Sin embargo, la temperatura del gas de hidrógeno en los datos de EDGES es aproximadamente la mitad del valor esperado.

"Si EDGES ha detectado un gas de hidrógeno más frío de lo esperado durante este período, ¿qué podría explicarlo? Una posibilidad es que el hidrógeno se enfríe con la materia oscura ", dijo el Dr. Muñoz.

En el momento en que fue absorbida la radiación RFM, los electrones o protones libres asociados con la materia ordinaria se habrían movido a la velocidad más lenta posible, ya que más adelante se calentaron con rayos X de los primeros agujeros negros.

La dispersión de partículas cargadas es más efectiva a bajas velocidades. Por lo tanto, cualquier interacción entre la materia normal y la materia oscura durante este tiempo habría sido más fuerte si algunas de las partículas de materia oscura estaban cargadas.

Esta interacción haría que el gas de hidrógeno se enfriara porque la materia oscura estaba fría, lo que podría haber dejado una firma observacional, como la que reclama el proyecto EDGES.

"Estamos contemplando la posibilidad de que las partículas de materia oscura puedan tener una pequeña carga eléctrica, igual a una millonésima de un electrón, a través de señales medibles desde el amanecer cósmico. Esas cargas pequeñas son imposibles de observar, incluso con los aceleradores de partículas más grandes", dijo el profesor Loeb.

Solo pequeñas cantidades de materia oscura con carga eléctrica débil pueden explicar los datos de EDGES y evitar el desacuerdo con otras observaciones.

Si la mayor parte de la materia oscura está cargada, entonces estas partículas se habrían desviado de las regiones cercanas al disco de nuestra galaxia, La Vía Láctea, y no habrían podido volver a entrar. Esta afirmación entra en conflicto directo con las observaciones que muestran que grandes cantidades de materia oscura se encuentran cerca del disco de la Vía Láctea.

Los astrofísicos saben, por observaciones del RFM, que los protones y los electrones se combinaron en el Universo temprano para formar átomos neutros. Solo una pequeña fracción de estas partículas cargadas, aproximadamente una en algunos miles, permaneció libre.

El Dr. Muñoz y el Profesor Loeb están considerando la posibilidad de que la materia oscura haya actuado de manera similar. Los datos de EDGES y experimentos similares podrían ser la única forma de detectar las pocas partículas cargadas restantes, ya que la mayor parte de la materia oscura sería neutra.

Crédito de la imagen:
M. Weiss / Centro de astrofísica Harvard-Smithsonian. 

Referencia del documento científico:
Julian B. Muñoz y Abraham Loeb. 2018. Una pequeña cantidad de materia oscura mini-cargada podría haber enfriado los bariones en el Universo temprano. Nature volumen 557, páginas 684–686 (2018); doi: 10.1038 / s41586-018-0151-x

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