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Los astrofísicos están midiendo la temperatura de la materia oscura


Los astrofísicos tienen muy poca idea sobre qué es la materia oscura y para demostrar su existencia aún tienen que detectar una partícula de materia oscura. Lo que si tienen bien estudiado los astrofísicos es que la gravedad de los cúmulos de materia oscura puede distorsionar la luz de los objetos distantes, por ejemplo, agrupaciones de galaxias en el universo más lejano a nosotros. Ahora, un equipo internacional de astrofísicos está utilizando esta distorsión, llamada lente gravitacional fuerte, para aprender más sobre las propiedades de esta sustancia misteriosa.

La hipótesis de la materia oscura tiene una historia muy elaborada. En una charla dada en 1884, Lord Kelvin estimó el número de cuerpos oscuros en la Vía Láctea a partir de la dispersión de velocidad observada de las estrellas que orbitan alrededor del centro de nuestra galaxia. Al usar estas medidas, estimó la masa de la galaxia, que determinó que es diferente de la masa de las estrellas visibles. Lord Kelvin concluyó así que "muchas de nuestras estrellas, tal vez una gran mayoría de ellas, pueden ser cuerpos oscuros". En 1906, Henri Poincaré usó las palabras "materia oscura" para discutir el trabajo de Kelvin.

Materia Oscura Fría
En cosmología y física, la materia oscura fría es un tipo hipotético de materia oscura. La naturaleza física de la materia oscura es actualmente desconocida, y hay una gran variedad de posibilidades. El modelo estándar de la materia oscura sostiene que esta sustancia es fría, lo que significa que las partículas se mueven lentamente en comparación con la velocidad de la luz.

En la teoría de la materia oscura fría, las estructuras crecen jerárquicamente, con pequeños objetos colapsando primero bajo su propia gravedad y fusionándose en una estructura continua para formar objetos más grandes y más masivos. Las predicciones del paradigma de la materia oscura fría están de acuerdo con las observaciones de la estructura cosmológica a gran escala.

Las observaciones indican que aproximadamente el 85% de la materia en el universo es materia oscura, y solo una pequeña fracción es de materia bariónica ordinaria, es decir, solo el 15% de toda la materia visible en todo el universo compone las estrellas, los planetas y los organismos vivos.

En este caso, la palabra "fría" se refiere al hecho de que la materia oscura se mueve lentamente en comparación con la velocidad de la luz, mientras que la palabra "oscura" indica que interactúa muy débilmente con la materia ordinaria y la radiación electromagnética.

Esto también está vinculado a la masa de las partículas de materia oscura. Cuanto más baja es la masa de la partícula, más "cálida" está y más rápido se moverá.

Materia Oscura Cálida
Desde finales de la década de 1980 o 1990, la mayoría de los cosmólogos favorecen la teoría de la materia oscura fría como una descripción de cómo el universo pasó de un estado inicial suave en los primeros tiempos (como lo muestra la radiación cósmica de fondo de microondas) a la distribución desigual de galaxias y sus cúmulos que vemos hoy: las estructuras a gran escala del universo. Las galaxias enanas son cruciales para esta teoría, ya que fueron creadas por fluctuaciones de densidad a pequeña escala en el universo temprano; ahora se han convertido en bloques de construcción naturales que forman estructuras más grandes.

El modelo de materia oscura fría se mantiene a escalas muy grandes, como explique anteriormente, pero no funciona tan bien en la escala de galaxias individuales. Eso ha llevado a otros modelos, incluyendo la Materia Oscura Cálida con partículas más ligeras y de movimiento más rápido. Las observaciones descartaron la materia oscura "caliente" con partículas que se mueven cerca de la velocidad de la luz.

La Materia Oscura Cálida es una forma hipotética de materia oscura que tiene propiedades intermedias entre las de la materia oscura caliente y la materia oscura fría. Los candidatos más comunes a Materia Oscura Cálida son los neutrinos y los gravitinos estériles. Las partículas masivas que interactúan débilmente, cuando se producen de forma no térmica, pueden ser candidatos a la materia oscura cálida. En general, las partículas masivas que interactúan débilmente, producidas térmicamente son candidatos a materia oscura fría.

En febrero de 2014, se extrajeron diferentes análisis del espectro de emisiones de rayos X observados por el observatorio espacial de rayos XMM-Newton, una señal monocromática de alrededor de 3,5 electronvoltios. Esta señal proviene de diferentes cúmulos de galaxias (como Perseo y Centauro) y varios escenarios de materia oscura cálida pueden justificar dicha línea. Podemos citar, por ejemplo, un candidato de 3.5electronvoltios que se aniquila en 2 fotones, o una partícula de materia oscura de 7 electronvoltios que se descompone en un fotón y un neutrino.

El estudio
El profesor Chris Fassnacht, investigador del Departamento de Física de la Universidad de California en Davis, junto con Jen-Wei Hsueh y sus colegas de investigación utilizaron lentes gravitacionales para medir el límite del calor y, por lo tanto, a la masa de la materia oscura.

Midieron el brillo de siete quásares distantes con lentes gravitacionales para buscar cambios causados ​​por manchas de materia oscura que intervenían y utilizaron estos resultados para medir el tamaño de estas lentes de materia oscura.

"Si las partículas de materia oscura son más ligeras, más cálidas y se mueven más rápidamente, entonces no formarán estructuras por debajo de cierto tamaño", dijo el profesor Fassnacht.

"Por debajo de cierto tamaño, simplemente se diluirían poco a poco".

Los astrofísicos dicen que los resultados ponen un límite inferior a la masa de una posible partícula de materia oscura, sin descartar la materia oscura fría.

"Esperamos continuar agregando objetos con lentes a la encuesta para mejorar la precisión estadística".

"Necesitamos mirar alrededor de 50 objetos para obtener una buena restricción sobre cuán cálida puede ser la materia oscura".

Referencia del documento científico:
J.-W. Hsueh et al. SHARP - VII. Nuevas restricciones sobre las propiedades de flujo libre de la materia oscura y la abundancia de la subestructura de los cuásares con lentes gravitacionales. MNRAS, publicado en línea el 15 de noviembre de 2019; doi: 10.1093 / mnras / stz3177

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