Modulación anual en la señal del DAMA

Un estudio relativamente reciente - R. Bernabei et al., 0804.2741 (astro-ph) - resultado del experimento DAMA, proporciona pruebas de una modulación anual en las tasas de retroceso nuclear por colisiones. Esta modulación de la señal aparece de forma natural el flujos de partículas interestelares que llegan a la tierra y por ello se ha planteado como prueba de la existencia de un fondo galáctico de materia oscura no bariónica, la cual colisiona con los núcleos haciéndolos moverse un poquito. La señal, no obstante, no ha podido ser reproducida por ningún otro de los experimentos actuales según wikipedia.

Cómo surge esta modulación anual es algo que vamos a intentar entender en esta entrada, de forma muy breve e intuitiva. Primero, debemos volver a parte de los resultados de la entrada El movimiento del sistema solar, en la cual veíamos que el sistema solar se mueve en la galaxia hacia la constelación del Cisne localizada en AR = 20:62h, Dec =+42:00. Pues bien, si en la galaxia existe un fondo isótropo de partículas dentro del cual el sistema solar se mueve, el flujo sobre el sistema solar, en el plano de la eclíptica, estará por tanto proveniendo de AR ~ 20h más o menos.

La constelación del zodiaco correspondiente con AR ~ 20h es Sagitario. Cuando la tierra se encuentra en el signo zodiacal de Sagitario - en diciembre - el sol está tapando tal constelación. Es decir, la tierra se encuentra localizada en el mes de diciembre cuando el flujo de partículas de materia oscura proviene de detrás del sol. Que la componente del flujo en el plano de la eclíptica provenga de detrás del sol resulta curiosamente en un máximo en la detección, por el efecto focalizador que el sol ejerce:



Esta imagen es una toma instantánea de una animación de esta página. Vemos que precisamente cuando el flujo viene desde detrás del sol, éste ejerce un efecto focalizador del flujo sobre la tierra. Es por tanto por ello por lo que el máximo se producirá más o menos en diciembre, durante el signo zodiacal de Sagitario. Este tipo de efecto de modulación se da también para partículas del medio interestelar y es perféctamente conocido. El papel del experimento DAMA afirma haber encontrado un efecto idéntico en su señal en la búsqueda de WIMPs (con máximo en día dos de diciembre). Aparentemente otros experimentos no han podido verificar que tal modulación sea debida realmente a WIMPs y no otra causa no identificada, por lo que la relevancia de tal conclusión está en entredicho.

Abell 520

El reciente estudio de colisiones de cúmulos galácticos está siendo una mina de oro para inferir sobre la validez de los modelos de materia oscura. Un ejemplo reciente es el "bullet cluster" o cúmulo bala, que comentábamos en este blog en la entrada "Prueba directa" de la existencia de materia oscura. Recordémoslo en líneas generales.

En el modelo de materia oscura no-bariónica, un cúmulo galáctico está formado básicamente por tres componentes diferentes: el plasma intracumular, la materia bariónica y luminosa en las galaxias y la materia oscura circundante. Durante una colisión las dos nubes de materia oscura, que no interactúan electromagnéticamente, pasan la una a través de la otra. Lo mismo ocurre con la materia bariónica y luminosa en las galaxias. Esta interactúa electromagnéticamente, pero la separación entre galaxias es grande y las colisiones no son frecuentes. Son sólo las nubes de plasma las que colisionan sin pasar a lo largo, calentándose y conformando una nube caliente en el lugar de la colisión. En el cúmulo bala se observa precisamente eso. Los dos lúbulos de materia oscura son identificados por medio de lentes gravitacionales de fuentes de luz que se encuentran tras el cúmulo en la línea de visión. La nube de plasma en el centro es identificada por su emisión de rayos-X. Y los dos lúbulos de galaxias por observaciones visuales. Galaxias y materia oscura están en los mismos lugares, dos lóbulos, los cuales a su vez quedan desplazados respecto de la nube de plasma.

Otro caso de cúmulos en colisión es Abell 520. Aquí no obstante no parece observarse lo descrito anteriormente. Se trata de una colisión en la que las observaciones de lentes gravitacionales indican que en la zona del núcleo con la nube de plasma existe también un único núcleo de materia oscura. Además, tal zona está vacía de galaxias. Estas se encuentran alejadas del núcleo en una zona de baja luminosidad. A primera vista, con las observaciones existentes, este choque de cúmulos no puede ser explicado por el modelo de materia oscura no-bariónica. Quizás observaciones más detalladas revelen una historia más compleja de choque. En cualquier caso, Abell 520 es sin duda un objeto que requerirá nuestra atención en el futuro.

El artículo que describe las observaciones es: A Dark Core in Abell 520, A. Mahdavi (UVic), H. Hoekstra (UVic), A. Babul (UVic), D. Balam (UVic), P. Capak (Caltech).

Una noticia de prensa en new scientist: Cosmic 'train wreck' defies dark matter theories.

En la imagen preparada: la materia oscura en azul y en rojo el plasma intracumular:


Comparación con la imagen preparada del cúmulo bala:

Materia entre planetas, estrellas y galaxias

¿Qué es lo que encontramos en el universo en el espacio entre planetas, estrellas y galaxias? Esta es una pregunta cuya respuesta depende de la escala que se considera. Vayamos por tanto desde lo más pequeño hasta lo más grande.

Entre planetas: el medio interplanetario

En el sistema solar, entre sus planetas, asteroides, etc., encontramos lo que se conoce como medio interplanetario, de una densidad de una docena de partículas de polvo por centímetro cúbico. Está formado básicamente por polvo que da lugar al fenómeno de la luz zodiacal, y también por un plasma caliente del viento solar.

El campo magnético de la tierra nos apantalla frente al viento solar y la atmósfera de la tierra frente al polvo interplanetario. Este medio por tanto no se encuentra a escalas menores en nuestro planeta.


La luz zodiacal a lo largo de la eclíptica creada por la luz solar reflejada en las partículas de polvo del medio interplanetario

Entre estrellas: el medio interestelar

Ahí lo que hay es el medio interestelar, con varias fases de densidad y composición. Hay regiones frías de polvo con unas mil partículas por centímetro cúbico. Hay también fases muy calientes en los interiores de las burbujas generadas por supernovas a temperaturas de un millón de grados y con unos 0.001 partículas (protones, electrones, etc.) por centímetro cúbico. Y hay también fases intermedias que suelen ser las regiones de HI o las de HII cerca de las estrellas, con densidades desde una a cien partículas por centímetro cúbico.


Una región HII del medio interestelar

El viento solar genera una presión que expulsa el medio interestelar de la región interplanetaria. Con ello este medio no se puede encontrar entre planetas sino únicamente a escalas mayores que planetas.


El viento solar crea la helioesfera e impide que el medio interestelar penetre en el sistema solar

Una interesante entrada en este blog sobre el medio interestelar:

• El medio interestelar y la fascinación del cielo nocturno
  

Entre galaxias: el medio intergaláctico y el medio intracumular

Aquí hay algo conocido como medio intergaláctico y también algo usualmente conocido como medio medio intracumular.

El término medio intracumular refiere a un gas caliente a 10^7 K, con unas 0.001 partículas por centímetro cúbico emitiendo rayos-X, y que se encuentra envolviendo los cúmulos galácticos en un equilibrio hidroestático en ellos.


El medio intracumular en el cúmulo Abel 2199

El término medio intergaláctico refiere a lo que se encuentra entre las galaxias y no es medio intracumular. Su composición depende del desplazamiento al rojo. En el universo actual existen filamentos y paredes (en los que se encuentran también los cúmulos galácticos) con un medio intergaláctico de una temperatura algo menor que el medio intracumular y densidad algo mayor. Por otro lado, fuera de los filamentos, existen grandes vacíos de densidad muy baja aunque no vacíos del todo.


Simulación del medio intergaláctico en filamentos a desplazamientos al rojo bajos

A desplazamientos al rojo algo más altos la cantidad de cúmulos galácticos disminuye, ya que el colapso gravitatorio de muy grandes estructuras no ha empezado. El medio intergaláctico ahí está formado básicamente por las denominadas nubes de Lyman-alfa con HI.

Similar al caso anterior, el medio interestelar dentro de las galaxias básicamente impide que el medio intracumular entre en ellas. El medio intracumular y el intergaláctico se encuentran por tanto únicamente a escalas mayores que las galaxias.

Una interesante entrada en este blog sobre el medio intergaláctico a desplazamientos al rojo bajos:

• ¿Dónde están los bariones?
  

Hasta aquí la materia bariónica.

Entre galaxias y en la galaxia: la materia oscura

A escala galáctica e intergaláctica existe también una gran cantidad de materia no-bariónica (materia oscura). Esta envuelve toda la galaxia en un halo. La composición de esta materia es desconocida y sólo es postulada debido a observaciones indirectas. Promediando a grandes escalas la densidad media de la materia oscura es diez veces mayor que la de toda la materia bariónica.

La materia oscura penetra en la galaxia y debería envolvernos también a nosotros en el sistema solar. Esto es así porque los medios anteriores no interactúan con ella y la presión que ejercen no le afecta. La materia oscura es no-bariónica y no responde a la interacción electromagnética. Su distribución a gran escala es similar a la de la materia bariónica, ya que esta última sufrió colapso gravitatorio precisamente en las regiones en las que preexistía materia oscura.


La distribución de materia oscura a gran escala

En todo el universo: la energía oscura

También se cree que existe energía oscura. Esto es algún tipo de energía o campo que permea el espacio a todas las escalas de forma homgenea e isótropa. Igualmente la composición de esta energía es desconocida y sólo es postulada debido a observaciones indirectas. Promediando a grandes escalas la densidad media de la energía oscura es dos o tres veces mayor que la de toda la materia (bariónica y oscura).

Se cree que la energía oscura se encuentra en todas las escalas y todos los lugares del universo, distribuida de forma homogenea e isótropa. Con ello, llegamos por último a los fondos de partículas.


El orígen de la energía oscura y la constante cosmológica, un misterio para la física desde hace casi un siglo

En todo el universo: los fondos de partículas

Por último todo el universo está lleno de varios fondos de partículas cuya densidad energética media es muy baja. Uno de ellos es un fondo homgeneo e isótropo de fotones, conocido como fondo cósmico de microondas, con unos 400 fotones por centímetro cúbico. Otro fondo es un supuesto fondo de neutrinos, y probablemente también debería haber un fondo de gravitones.

Estas partículas, en concreto el fondo de fotones, se encuentran en cualquier lugar del universo. Lo mismo debería ocurrir para el resto de los fondos.


En análisis de las ligeras inhomogeneidades del fondo de fotones ha proporcionado dos premios Nobel en 2006

En este blog encontrarás varias entradas sobre el fondo de microondas siguiendo la etiqueta de abajo.

La materia oscura y la cosmología

El problema de la materia oscura tiene orígen astrofísico, en las observaciones de la rotación de las galaxias espirales, pero ha pasado a ser un problema de relevancia fundamental en cosmología. En cosmología no solo es importante la observación de que la materia oscura es algo necesario de acuerdo con el modelo estándar de cosmología, sino también es importante estimar su cantidad, es decir, su densidad media en el universo para determinar con precisión el modelo.

La materia oscura y su densidad media

La idea de densidad media de un componennte del universo está justificada debido al principio cosmológico, que nos indica que la distribución de cualquier componente en el universo (como materia o radiación) es homogenea e isótropa a muy grandes escalas. Con ello tiene sentido definir una densidad media que es válida en cada punto siempre y cuando estemos considerando el universo a grandes escalas. Para la determinación de la densidad media de cualquier componente del universo se hace uso del concepto de densidad crítica, que es la densidad que necesitaría nuestro universo para que su geometría espacial fuese plana. Esto significa que los ángulos de un triángulo (de dimensiones cosmológicas) sumarían 180°. Si la densidad media total es menor que la crítica, la geometría es abierta y los ángulos sumarían menos de 180° y si la densidad media total es mayor que la crítica la geometría es cerrada y los ángulos sumarían más de 180°. La densidad de cualquier componente se describe en relación a la crítica y se denonta con la letra y un subíndice para el componente en cuestión. Por ejemplo, una densidad de materia significa que la densidad de materia es 0.3 veces la densidad crítica.


Curvatura del universo según su densidad igual, mayor o menor que la crítica

La materia oscura es esencialmente materia no observada directamente, pero de la que se tienen indicios de su existencia debido a observaciones indirectas astrofísicas y cosmológicas. La naturaleza de esa materia es desconocida y básicamente se clasifica en dos grupos. La mayor parte se cree que es materia no-bariónica (no compuesta por quarks formando protones y neutrones), y que no interactúa electromagnéticamente sino solo gravitatoriamente y frente a la interacción débil, y otra menor parte es materia bariónica como objetos compactos o nubes de gas. De la parte no-bariónica hay razones para pensar que han de ser partículas exóticas deconocidas y que no pueden ser neutrinos. De la parte bariónica hay razones para pensar que ha de tratarse de nubes intergaláticas y que no pueden ser objetos compactos. Esto lo veremos a continuación.

Las curvas de rotación de las galaxias espirales

Primero, como he mencionado, el orígen del problema es meramente astrofísico y está en las curvas de rotación de las galaxias espirales. La velocidad de las estrellas en el disco galáctico es mucho mayor de lo que la gravitación que ejerce la materia visible galaxia sobre ellas debería permitir. Deberían salirse por la tangente. Para ajustar velocidad y gravitación hace falta hasta unas diez veces más materia que la observada en cada galaxia. Para la determinación de la cantidad total de materia oscura hace falta recurrir no obstante a métodos algo más generales. Aquí hay dos fuentes principales de información. Primera, los cúmulos galácticos y, segunda, la combinación de las observaciones del fondo cósmico de microondas con las supernovas Ia. Empecemos com los cúmulos.


Velocidades de rotación observadas y predichas según la materia visible

La materia oscura y los cúmulos galácticos

Análogamente al caso de las estrellas dentro de las galaxias, la dinámica de las galaxias dentro de los cúmulos sugiere la existencia de mucha más masa que la que se observa, , con un buen margen de error no obstante. Además, los cúmulos galácticos están immersos en un gas intracumular (un plasma de hidrógeno ionizado y electrones) con una masa de cinco a seis veces la masa de la materia galáctica visible. Este gas es visible en rayos-X al estar a temperaturas de varios millones de grados y es su luminosidad la que nos da información sobre su masa. Igualmente aquí las observaciones indican diez veces más masa que la bariónica. La existencia de una relación universal entre luminosidad del gas y masa total en los cúmulos se debe esencialmente al hecho que el gas está en equilibrio hidrostático en el pozo de potencial gravitatorio del cúmulo.

Otra prueba de la existencia de materia oscura es el efecto de lente gravitacional (desviación de la luz en un espacio-tiempo curvo) que los cúmulos ejercen sobre fuentes de luz situadas detrás de ellos, que es dependiente de la masa del cúmulo. Observando lentes gravitacionales se puede inferir sobre la masa de los cúmulos galácticos y se comprueba de hecho que la masa necesaria es hasta diez veces la observada. Por último, otra prueba más en relación con los cúmulos es el efecto Sunyaev-Zeldovich: Los fotones del fondo cósmico de microondas interactúan con los electrones libres del gas intracumular (scattering de Compton inverso) y obtienen energía de ellos saliéndose de la curva del cuerpo negro que conforman. El resultado es una anisotropía (un “fleco” en el mapa debido a fotones más calientes) visible en los mapas del fondo cósmico (WMAP, etc.). La potencia de este “fleco” depende de la temperatura y densidad de los electrones, que a su vez, dado un modelo de equilibrio hidrostático, proporciona información sobre el perfil de densidad del cúmulo y su masa.


Efecto de lente gravitacional producido por un cúmulo galáctico

Todo en uno hay que decir que las diferentes pruebas experimentales mencionadas, que son las más importantes, no acaban de converger con toda precisión necesaria todavía. No obstante, indican una densidad de materia de aproximadamente , que está en concordancia con las pruebas cosmológicas. Ahora, vayamos con el fondo de microondas y las supernovas Ia. Para ello conviene entender un poco el modelo cosmológico estándar.

La formación de estructuras de gran escala y la materia oscura

El universo empieza siendo homogeneo e isótropo una fracción de segundo tras su inicio. Esto es debido a un mecanismo denominado inflación que ocurre una fracción de segundo después del big-bang y que debido a la expansión extrema aplana cualquier condición inicial inhomogenea, dando lugar a homogeneidad. La inflación, además, proporciona un mecanismo físico por el cual las fluctuaciones cuánticas durante ese periodo del universo se convierten en perturbaciones reales de densidad energética o inhomogeneidades. Está claro que algo así es necesario, ya que de otra forma en un universo totalmente homogeneo nunca se podrían formar estructuras de materia por colapso gravitatorio.

Tras la inflación, la materia no-bariónica empieza a colapsar gravitatoriamente en las inhomogeneidades producidas por la inflación. Al no interactuar electromagnéticamente y no perder energía por disipación en procesos radiativos, su colapso es en principio más lento que el de la materia bariónica. La materia bariónica también empieza a colapsar, no obstante, su colapso se ve impedido por su fuerte interacción con los fotones que hay en el universo, cuya energía y su momento lineal son suficientes como para impedirlo. Este tira y afloja entre gravitación y presión de la radiación hace que el plasma de bariones y electrones existente antes de la recombinación sufra oscilaciones que son de gran importancia en el análisis del fondo.

Esa situación se da hasta la recombinación, unos 300.000 años tras el big-bang, cuando los fotones pierden suficiente energía debido a la expansión del espacio como para que se forme hidrógeno neutro (los fotones ya no pueden disociar el hidrógeno que se forma). La radiación y los bariones se desacoplan, quedando un fondo de radiación (que da lugar al fondo de microondas) y unos bariones libres en colapso, colapsando sobre las inhomogeneidades de materia no-bariónica. Debido a la casi homogeneidad perfecta el fondo de radiación está a una temperatura determinada y se comporta como la emisión de un cuerpo negro. El colapso de los bariones, disipativo, es a partir de entonces muy rápido. Los grumos de materia bariónica encuentran pozos de potencial preexistentes de materia oscura y empiezan a colapsar gravitacionalmente sobre ellos. Esto asumiendo que los grumos mencionados tienen una masa suficiente para ello, que resulta ser de unas .

Si los pozos de potencial de materia oscura no preexistiesen al colapso bariónico en la época de la recombinación, entonces no habría suficiente tiempo hasta hoy para que el grueso de masas iniciales de procediese por formación jerárquica de estructuras (colisiones, uniones, etc.) hasta la formación de las galaxias que observamos. Algunos de los fotones que quedan libres han de escapar de pozos de potencial preexistentes de materia o caer en ellos, cosa que produce un desplazamiento al rojo o al azul gravitacional desviándose muy ligéramente de la curva de cuerpo negro (una desviación de una parte en diezmil).


Anisotropías del fondo cósmico de microondas

Es decir, las regiones de mayor densidad y temperatura dan lugar a fotones menos energéticos y vice versa. Esto significa que en el mapa del fondo las regiones azules corresponden con zonas de sobredensidades y las regiones rojas con densidades menores. Las oscilaciones mencionadas son además visibles en el fondo debido a este efecto y son identificables debido a su escala angular, muy característica. Adicionalmente, las anisotropías que se ven en el mapa contienen además de ese otros efectos secundarios como el Sunyaev-Zeldovich mencionado anteriormente. Pero son las anisotropías correspondientes con las oscilaciones las que permiten determinar la curvatura del espacio. La idea es que la escala angular de las oscilaciones es una característica dependiente del modelo y si las observamos hoy, 13 mil millones de años después, somos capaces de indentificar si su imagen está distorsionada por una posible curvatura del espacio. Las observaciones del fondo indican que este no es el caso. Esto significa que la densidad total está cercana a la crítica.

No obstante, la utilidad de estas observaciones va más allá de todo esto. El cuadro que he descrito aquí del modelo cosmológico estándar con el colapso de materia oscura no-bariónica y consiguiente colapso de bariones, se ve verificado en las mediciones de las anisitropías. Sin embargo, hay que notar que existen cierta degeneración en los parámetros, es decir, existen otros modelos que también encajan con los datos y sólo con observaciones adicionales se pueden eliminar ambigüidades.

La energía oscura y la materia oscura

A esto vamos ahora. El fondo cósmico nos dice que la densidad total es igual a la crítica ¿Significa esto que la densidad de la materia es igual a la crítica, ? No, ya que existe otro componente en el universo, la radiación. No obstante, su densidad es 0.0005 veces la densidad de la materia. ¿Significa esto que la densidad de la materia es igual o casi igual a la crítica? No, tampoco, porque la observación independiente de las supernovas Ia indica que en el universo existe otro componente desconocido. La luminisidad de estas supernovas indica que están realmente más lejos de lo que deberían estar en un modelo en el cual hay solo materia, y nos revelan que la expansión del espacio está acelerando, en vez de decelerar como es de esperar en cualquier modelo cosmológico que contenga materia y radiación. A este componente extraño se lo denomina energía oscura.

La energía oscura tiene una densidad positiva, al igual que la materia, pero ejerce una presión negativa, al contrario que la radiación o la materia relativista. Esta presión hace que el la expansión del espacio acelere. Ambas se relacionan en una ecuación de estado . Los datos de las supernovas indican que la densidad de energía oscura es . El subíndice indica que la energía oscura se comporta como una constante cosmológica, lo que significa que . De esto se deduce que la densidad de la materia es en concordancia, más o menos, con el resto de los datos.


Expansión acelerada debido a la energía oscura según los datos de las supernovas Ia

La nucleosíntesis del big-bang y la materia oscura

Por otro lado, el modelo cosmológico estándar proporciona una medida muy exácta de la densidad media de bariones. Ésta queda delimitada por la nucleosíntesis del big-bang, un proceso que genera núcleos de dos o más nucleones determinando abundancias relativas de ellos. Ocurre en una época temprana del universo (un segundo después del big-bang), cuando los fotones pierden suficiénte energía como para no poder disociar más los núcleos. La teoría nos indica que la densidad media de bariones respecto de la crítica es . Este resultado se corresponde además con el que se sigue del análisis de las oscilaciones del fondo, las cuales dependen diréctamente de los bariones (“baryon drag”). Las abundancias relativas que produce la nucleosíntesis del big-bang encuentran su prueba fundamental en las observaciones de la cantidad de deuterio intergaláctico, un elemento que muy raramente se produce en estrellas y es, por tanto, netamente primordial. Está claro con esto que el grueso de la materia oscura no puede ser bariónica.


Abundancias relativas según la nucleosíntesis del big-bang (línea gris)

La materia oscura bariónica

No obstante, existe una gran parte de que no observamos ya que las estrellas y el medio interestelar de las galáxias son solo una fracción de esa densidad. Incluso el medio intracumular de los cúmlos galácticos, con una masa de seis veces la masa visible galáctica, no da de sí para completar . A esta materia oscura faltante se la denomina materia oscura bariónica. Está compuesta básicamente por enormes nubes de gas caliente en el espacio intergaláctico. No puede estar compuesta por objetos masivos, ya que estos existen sólo en las galaxias y, conociendo , se puede estimar la densidad de objetos masivos en una galaxia y con ello estimar la probabilidad de observar efectos de microlente gravitacional. No obstante, los experimentos de microlentes gravitacionales no corroboran esto. Por otro lado, existen ya observaciones de grandes nubes de gas en el espacio intergaláctico. Esto es además algo que encaja muy bien con el modelo actual de formación de estructuras, en el cual las colisiones y la formación jerárquica hacen que la formación galáctica no sea muy efectiva (y se deja gas sin colapsar).

La materia oscura no-bariónica

Nos queda por ver cuál es la naturaleza de la materia oscura no-bariónica. En el modelo cosmológico estándar la formación de estructuras es por acreción de menores en mayores (“bottom-up”). Tras la recombinación, primero se froman estructuras bariónicas de una masa de unas 10.000 masas solares que colapsan sobre los potenciales de materia oscura no-bariónica y más tarde se van uniendo hasta formar galaxias y cúmulos galácticos. Para ello es necesario que existan fluctuaciones de densidad suficientemente pequeñas que permitan las formación de las mencionadas estructuras después de la recombinación. La teoría predice que si la materia oscura no-bariónica fuesen neutrinos, las fluctuaciones de densidad serían eliminadas por su velocidad relativista en la época de la recombinación.

Esto es debido a un fenómeno de amortiguamiento. En este contexto significa la disminución de la profundidad del pozo gravitatorio de una perturbación. Para materia bariónica el amortiguamiento se da debido a la presión. Para partículas que no colisionan (al no interactuar electromagnéticamente) como la materia no-bariónica, el amortiguamiento se da debido a la capacidad de las partículas de escapar al pozo de potencial debido a su velocidad. Para partículas no-relativistas de materia no-bariónica fría, la distancia media de difusión es grande: su velocidad es grande de forma que se distribuyen de forma homogenea hasta una distancia determinada. A mayores distancias la gravitación es dominante y liga a las partículas en la perturbación. Esto es el amortiguamiento por difusión libre, el cual hace que las perturbaciones sólo pueden existir a partir de un determinado tamaño. La formación de estructuras bottom-up de acuerdo con las observaciones (espectro de potencia y correlación de galaxias) significa por tanto que la materia oscura no puede ser relativista o caliente.

La materia oscura no-bariónica es por tanto tal que durante la recombinación su velocidad es no-relativista. A este tipo de materia oscura se la denomina fría. Además, la masa estimada de los neutrinos no parece ser suficiente para que éstos proporcionen el total de la materia oscura no-bariónica. No se conocen partículas así, por lo que la conclusión es que todas las observaciones nos están poniendo de manifiesto los efectos de una partícula desconocida, cuya existencia está más allá del modelo estándar de partículas.

Resumen

Resumiendo. Debido a ciertos fenómenos gravitatorios se asume la existencia de materia oscura bariónica y materia oscura no-bariónica en el universo. La materia oscura bariónica ya no lo es realmente, porque poco a poco se ha ido identificandola y se sabe que existe en grandes nubes de gas intergaláctico. La materia oscura no-bariónica compone el grueso de la materia del universo y es fría, por lo que se asume que está formada por partículas que sólo interactúan a través de la gravitación y la fuerza nuclear débil, que, además, son masivas y no relativistas en la época de la recombinación. A estas partículas se las denomina genéricamente WIMPs, weakly interacting massive particles. Existen experimentos para su detección directa que se básan en la detección por choques contra núcleos atómicos que esperan tener resultados en los próximos años.


Composición del universo

Estrellas oscuras

Noticia de prensa:
Las “estrellas oscuras” podrían haber poblado el inicio del universo.

La idea se puede entender desde el marco de un modelo sencillo de formación estelar. Todo empieza con una nube molecular, generalmente en equilibrio virial. En la nube existen inestabilidades gravitacionales que dan lugar a perturbaciones, inducidas por ejemplo a través de ondas de presión. Si la masa y consiguiente gravitación de la perturbación en la nube es suficiente como para vencer la presión del gas, entonces empieza un proceso de colapso gravitacional de la perturbación. A la masa de la perturbación necesaria para que el colapso pueda darse se la denomina masa de Jeans. Este valor varía proporcionalmente con la temperatura e inversamente con la densidad como:



En el estadio temprano del colapso la nube es todavía transparente a la radiación y es capaz de evacuar energía a través de emisión electromagnética. Esto significa que en el inicio del colapso la nube puede mantenerse a temperatura más o menos constante y se da un colapso aproximadamente isotermo. Por tanto, aumentando la densidad durante el colapso y manteniendo una temperatura constante, hace que la masa de Jeans disminuya. Esto lleva a que la nube sea capaz de fragmentar, al poderse dar el colapso en regiones cada vez menores.

La densidad de los fragmentos aumenta debido al colapso hasta que llega a un estado en el que la nube o sus fragmentos se hacen opacos a la radiación, convirtiendo el colapso de isotermo a adiabático, esto es, volviéndose incapaz de evacuar calor. La capacidad de evacuar calor depende de los mecanismos de enfriamiento en la nube original. Un mecanismo de enfriamiento determinante es la existencia de metales, moléculas o polvo con sus respectivas líneas de emisión. Una vez llegada la fase de colapso adiabático deja de tener lugas más fragmentación y el colapso continúa hasta que se inicia la fusión nuclear que genera presión suficiente como para lograr un equilibrio.

Añadir materia oscura a este cuadro resulta en que el colapso gravitacional inicial concentra la materia oscura y con ello aumenta la cantidad de colisiones entre partículas y antipartículas de esta. Nótese que la falta observacional de antimateria es un específico del sector bariónico, mientras que la materia oscura no-bariónica debería estar compuesta en partes iguales por ambos tipos de partículas. Así, la aniquilación da lugar a radiación electromagnética que, a su vez, genera más calor, dificultando el proceso natural de enfriamiento y evacuación de calor mencionado anteriormente, e incrementando la presión de radiación.

Este proceso de aniquilación entre materia y antimateria se da probablemente en toda estrella, como por ejemplo también en el sol. La cuestión es en qué medida. El estudio este sugiere que este proceso se da de forma esencial en las estrellas de populación III (o primera generación). En ellas, la falta de metales (al no proceder de supernovas previas) hace que el enfriamiento sea débil y esté dominado por la formación de hidrógeno molecular. Tal debilidad del enfriamiento hace que el el proceso de aniqulación se perfile como importante. El proceso domina incluso determinando una fase inicial de evolución estelar, en la cual el proceso de colapso asumido hasta hoy, y que lleva a la aparición de la fusión nuclear, es ralentizando.

La evolución posterior de ese tipo de estrellas creo que no está clara, o al menos yo no saco nada en claro tras leer el papel original Dark matter and the first stars: a new phase of stellar evolution. Una posibilidad es que la temperatura aumente y se inicie la fusión nuclear, dando probablemente lugar a una estrella de la secuencia principal. En este escenario la aparición de las primeras estrellas de populación III quedaría algo atrasada. Otra de las posibilidades que se barajan (o mencionan superficialmente) es que la fase oscura de alguno de esos objetos sea más estable y dure hasta la actualidad sin permitir el paso por la secuencia principal.

En general, el artículo menciona que la posible detección no está al alcance de los observatorios actuales y necesitará de un instrumento infrarrojo potente como el James Webb Space Telescope cuyo lanzamiento está previsto para el 2013.


Interesante página sobre las primeras estrellas aquí.

Un anillo de materia oscura

En 1957 Milton Humason y Allan Sandage descubrieron el cúmulo galáctico Cl 0024+17 localizado a un desplazamiento al rojo z = 0.4. Las peculiaridades de este cúmulo han atraido la atención de investigadores desde entonces. Hoy este cúmulo se ha convertido en noticia por un estudio basado en observaciones del telescopio espacial Hubble, que lo considera como una prueba indirecta fuerte de la existencia de materia oscura no-bariónica de forma similar al caso del cúmulo 1E 0657-56 hace unos meses ("Prueba directa" de la existencia de materia oscura).


El cúmulo Cl 0024+17

Se postula una colisión de cúmulos que desgarran la materia oscura no-bariónica del medio intracumular. El medio intracumular es visible en rayos-X debido a su alta temperatura y la existencia de materia oscura se infiere por medio de análisis de lentes gravitacionales de fuentes de luz tras el cúmulo, concrétamente unas 1300 galaxias de fondo de propiedades bien conocidas. El resultado es que el cúmulo presenta un anillo de materia oscura no-bariónica.

¿Cómo se puede formar un anillo así? Esa es la pregunta.

Los cúmulos galácticos están en constante crecimiento y colisión en el universo actual. El el universo todavía no es suficiéntemente viejo como para que este proceso haya acabado y la materia virialize en equilibrio gravitatorio de estructuras mayores. Las posiciones actuales de los cúmulos suelen ser dentro de filamentos unidimensionales (o digamos mejor tubulares), por lo que las colisiones son frontales, involucrando directamente a los núcleos del los cúmulos en ellas.

La situación de la colisión es similar a la del 1E 0657-56, solo que aquí la estamos viendo de frente y no de lado. Es decir, el eje de colisión es la linea visual. En estos casos se forma un frente expansivo de materia como cuando uno lanza una piedra a la arena. Un caso famoso es esta colisión entre galaxias:


Galaxia rueda de carro

En este caso la situación es similar en el resultado, pero no es comparable en el mecanismo. La materia oscura no-bariónica no colisiona y la analogía de la piedra y la arena y por tanto la situación de arriba de las galaxias chocando no se aplican aquí.

Según el papel, la colisión de dos cúmulos localiza el doble de materia oscura en la región cumular provocando una contracción gravitatoria y luego una expansión de la materia. La materia oscura no-bariónica adquiere energía cinética adicional hacia el exterior cuya expansión no puede ser seguida por el núcleo de materia bariónica debido a sus colisiones y pérdida de energía.

Este escenario de colisión, que ha decir verdad es bien poco intuitivo y algo confuso, se postula en el estudio de acuerdo con simulaciones numéricas realizadas. Estas explican no solo el anillo de materia oscura no-bariónica sino también las características de la baja emisión de rayos-X del cúmulo al estar todavía lejos del equilibrio debido a la reciente colisión.

El estudio parece muy bien preparado, con muchos análisis paralelos, como la simulación, análisis de velocidades, propiedades de la emisión de rayos-X, etc. No obstante, yo no me quito un ligero sentimiento escéptico de encima, probablemente porque no acabo de "ver" el mecanismo físico para la formación del anillo.

Discovery of a Ringlike Dark Matter Structure in the Core of the Galaxy Cluster Cl 0024+17
http://arxiv.org/abs/0705.2171

Dudas sobre la "galaxia oscura"

Mencionada en una aportación anterior, la hipotética galaxia oscura podría ser una nube de gas arrancada de una galaxia del cúmulo de Virgo debido a fuerzas de marea o presión del gas intracumular. En este papel http://arxiv.org/astro-ph/0505397 "A large HI cloud near the centre of the Virgo cluster" se comenta el descubrimiento de una nube de gas de esas características y se postula que la hipotética galaxia oscura podría ser de la misma naturaleza.

En el papel del descubrimiento de la galaxia oscura (http://arxiv.org/abs/astro-ph/0502312) se argumentaba que la no existencia de nubes adyacentes era un indicio serio de que la nube no pudo ser arrancada, ya que este tipo de procesos no generan un bloque único de gas, sino varios. De igual forma, asumiendo que la nube fue arrancada por gravitación de galaxias vecinas, la alta velocidad de rotación indicaba que esas galaxias debían estar relativamente cerca, cosa que no se observó. Quizás las observaciones no fueron suficiéntemente sensibles. Habrá que esperar.

Rotación y magnetismo

Papel: Are rotation curves in NGC 6946 and the Milky Way magnetically supported?
http://arxiv.org/astro-ph/0503657

El interés de Eduardo Battaner y Estrella Florido (de la Universidad de Granada) en la influencia de los campos magnéticos en la formación de estructuras en el universo (el famoso "cartón de huevos" de Battaner...) así como en las dinámica galáctica, viene ya de largo.

Este papel presenta una alternativa, arriesgada en el marco de la cosmología actual, a la materia oscura galáctica (aquella necesaria para que las curvas de rotación cuadren con las observaciones), en la cual los campos magnéticos tendrían una influencia fundamental sobre la dinámica del medio interestelar y las estrellas.

Aunque a mí me es un misterio cómo el campo magnético puede dirigir la dinámica de las estrellas en la galaxia de igual forma que lo puede hacer la gravitación, no quería perder oportunidad de mencionar este papel. En interesado puede leer más en The rotation curve of spiral galaxies and its cosmological implications http://arxiv.org/astro-ph/0010475 (un papel de más de 120 páginas del propio Battaner).

Una galaxia oscura

Noticia: El descubrimiento de una galaxia oscura
http://www.physicsweb.org/articles/news/9/2/14/1

La materia oscura no-bariónica debe estar aproximadamente en proporción de por lo menos diez a uno frente a la materia bariónica (oscura y visible). Esto es una predicción acorde con la nucleosíntesis del big-bang en el modelo de la concordancia. Además, la localización de la materia oscura no es sólo en el seno de las galaxias, contribuyendo a sus curvas de rotación, sino también fuera de ellas, contribuyendo a la dinámica de los cúmulos galácticos.

En este marco aparecen las galaxias oscuras, o halos oscuros sin formación estelar, como predicciones del modelo cosmológico, cuyo primer candidato parece ser VIRGOHI21.

Que no se hayan formado estrellas en VIRGOHI21 es, en general, explicable debido al bajo contenido de materia bariónica (hidrógeno), pero estríctamente debido a la baja densidad de columna del HI y probablemente la alta rotación del halo. Concrétamente el criterio de Toomre, que determina la inestabilidad gravitacional de un disco bariónico en rotación, no se cumple, lo que evita la fragmentación del gas bariónico. Esto evita la formación de grumos que puedan dar lugar a los típicos colapsos isotermos que llevan a la formación estelar (teoría de Jeans).

Aquí el papel original describiendo el descubrimiento:
A Dark Hydrogen Cloud in the Virgo Cluster
http://arxiv.org/abs/astro-ph/0502312