Los científicos investigan la materia oscura en un universo virtual

Simulación por computadora de materia oscura. Muestra una estructura similar a una red.

Simulación generada por computadora ampliada de la distribución de la materia oscura en el universo, también conocida comotelaraña cósmica. Las pequeñas manchas esféricas de materia oscura que aparecieron esparcidas por la imagen son identificadas por los científicos comohalos de materia oscura, estructuras ligadas gravitacionalmente dentro de las cuales se forman las galaxias. Imagen a través de J. Wang; S. Bose /CfA.

Publicado originalmente el 2 de septiembre de 2020 por el Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica, con sede en Cambridge, Massachusetts.

Usando el poder desupercomputadoras, un equipo internacional de investigadores se ha acercado a los grupos más pequeños de materia oscura en unvirtualuniverso.Publicado2 de septiembre de 2020 en elrevisado por paresdiarioNaturaleza, el estudio revelahalos de materia oscuracomo regiones activas del cielo, repletas no solo de galaxias, sino también de colisiones emisoras de radiación que podrían hacer posible encontrar estos halos en el cielo real.

Materia oscura- que constituye aproximadamente el 83% de la materia en el universo - es un actor importante en la evolución cósmica, incluida la formación de galaxias, que crecieron como gas enfriado y condensado en el centro de enormes grupos de materia oscura. Con el tiempo, los halos se formaron cuando algunos grupos de materia oscura se alejaron de la expansión del universo debido a su propia enorme gravedad. Los halos de materia oscura más grandes contienen enormescúmulos de galaxias- colecciones de cientos de galaxias - y aunque sus propiedades se pueden inferir estudiando esas galaxias dentro de ellas, los halos de materia oscura más pequeños, que por lo general carecen de una sola estrella, han sido un misterio hasta ahora.

Sownak Boseen CfA es uno de los autores principales de la nueva investigación. Él dijo:

Entre las cosas que hemos aprendido de nuestras simulaciones está que la gravedad conduce a que las partículas de materia oscura se 'agrupen' en regiones demasiado densas del universo, asentadas en lo que se conoce como halos de materia oscura. Básicamente, se pueden considerar como grandes pozos de gravedad llenos de partículas de materia oscura.

Creemos que cada galaxia del cosmos está rodeada por una distribución extendida de materia oscura, que pesa más que el material luminoso de la galaxia entre un factor de 10 a 100, dependiendo del tipo de galaxia. Debido a que esta materia oscura rodea a todas las galaxias en todas las direcciones, nos referimos a ella como un 'halo'.



Un hombre joven e inteligente: gafas, cabello oscuro, ojos con barba.

Sownak Bose es un postdoctorado en el Instituto de Teoría y Computación del Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica (CfA). Utiliza grandes simulaciones numéricas para estudiar las estructuras cosmológicas más grandes de nuestro universo, lo que se llamatelaraña cósmica- y la evolución de las galaxias. Imagen víaCfA.

En el universo virtual simulado por estos científicos, los investigadores pudieron hacer zoom con la precisión necesaria para reconocer una pulga en la superficie de la luna llena, con un aumento de hasta 10 elevado a siete, o 10 seguido de siete ceros, y Cree imágenes muy detalladas de cientos de halos virtuales de materia oscura, desde el más grande conocido hasta el más pequeño esperado. Bose explicó:

Las simulaciones son útiles porque nos ayudan a cuantificar no solo la distribución general de la materia oscura en el universo, sino también la estructura interna detallada de estos halos de materia oscura. Establecer la abundancia y la estructura interna de toda la gama de halos de materia oscura que pueden formarse en elmodelo de materia oscura fríaes de interés porque esto nos permite calcular qué tan fácil puede ser detectar la materia oscura en el universo real.

Mientras estudiaban la estructura de los halos a través de su simulación, los investigadores se encontraron con una sorpresa: todos los halos de materia oscura, ya sean grandes o pequeños, tienen estructuras internas muy similares que son densas en el centro y se vuelven cada vez más difusas al moverse hacia afuera.Astrónomo Jie Wangen los Observatorios Astronómicos Nacionales (NAOC) en Beijing, y autor principal de la investigación, dijo:

Varios estudios previos sugirieron que los perfiles de densidad para super-mini halos serían bastante diferentes de sus contrapartes masivas. Nuestras simulaciones muestran que se ven similares en una amplia gama de masas de halos oscuros y eso es realmente sorprendente.

Bose agregó que incluso en los halos más pequeños que no rodean a las galaxias:

... Nuestras simulaciones nos permitieron visualizar la llamada 'red cósmica'. Donde los filamentos de materia oscura se cruzan, uno ve las pequeñas manchas casi esféricas de materia oscura, que son los propios halos, y tienen una estructura tan universal que yo podría mostrarte una imagen de un cúmulo de galaxias con un millón de billones de veces la masa del sol, y un halo de masa terrestre un millón de veces más pequeño que el sol, y no podrías decir cuál es cuál.

Un chino mayor con gafas, suéter y corbata.

El astrónomo Jie Wang de los Observatorios Astronómicos Nacionales de Beijing es el autor principal de la nueva investigación. Imagen víaNOAC.

Aunque las imágenes de los halos de materia oscura de este estudio son el resultado de simulaciones, las simulaciones en sí se basan en datos de observación reales. Para los astrónomos, eso significa que el estudio podría replicarse contra el cielo nocturno real con la tecnología adecuada. Bose dijo:

Las condiciones iniciales que entraron en nuestra simulación se basan en datos de observación reales de las mediciones de radiación de fondo de microondas cósmicas delSatélite Planck, que nos dice cuál es la composición del universo y cuánta materia oscura introducir.

Durante el estudio, los investigadores probaron una característica de los halos de materia oscura que pueden hacerlos más fáciles de encontrar en el cielo nocturno real: las colisiones de partículas. La teoría actual sugiere que las partículas de materia oscura que chocan cerca del centro de los halos pueden explotar en un violento estallido de radiación gamma de alta energía, haciendo potencialmente que los halos de materia oscura sean detectables por rayos gamma y otros telescopios. Bose dijo:

La forma exacta en que se detectaría la radiación depende de las propiedades precisas de la partícula de materia oscura. En el caso de partículas masivas que interactúan débilmente (WIMPs), que se encuentran entre los principales candidatos de laimagen estándar de materia oscura fría[actualmente la teoría más popular entre los científicos para explicar la naturaleza de la materia oscura],radiación gammase produce típicamente en elGeVrango de [gigaelectronvoltios]. Ha habido afirmaciones de un exceso en el centro galáctico de radiación gamma de escala GeV enlos datos de Fermi, que podría deberse a la materia oscura o quizás apúlsares.

Wang agregó:

Telescopios terrestres como el sistema de matriz de telescopios de imágenes de radiación muy energética (VERITAS) también se puede utilizar para este propósito. Y apuntar telescopios a galaxias distintas a la nuestra también podría ayudar, ya que esta radiación debería producirse en todos los halos de materia oscura.

Con el conocimiento de nuestra simulación, podemos evaluar muchas herramientas diferentes para detectar halos: rayos gamma,lente gravitacional, dinámica. Todos estos métodos son prometedores en el trabajo para arrojar luz sobre la naturaleza de las partículas de materia oscura.

Los resultados del estudio brindan un camino para que los investigadores actuales y futuros comprendan mejor lo que hay, lo podamos ver o no. Bose dijo:

Comprender la naturaleza de la materia oscura es uno de los santos griales de la cosmología. Si bien sabemos que domina la gravedad del universo, sabemos muy poco sobre sus propiedades fundamentales: qué tan pesada es una partícula individual, qué tipo de interacciones, si las hay, tiene con la materia ordinaria, etc. A través de simulaciones por computadora, tenemos ven a conocer su papel fundamental en la formación de la estructura en nuestro universo. En particular, nos hemos dado cuenta de que sin la materia oscura, nuestro universo no se parecería en nada a lo que es ahora. No habría galaxias, estrellas, planetas y, por tanto, vida.

Esto se debe a que la materia oscura actúa como la estructura esquelética invisible que sostiene el universo visible que nos rodea.

Estructura en forma de red con hebras largas que contienen pequeños puntos brillantes.

Simulación generada por computadora ampliada de la distribución de la materia oscura en el universo, también conocida como la red cósmica. Recuadro: El nivel más alto de aumento reveló pequeñas manchas amarillas, o halos de materia oscura de la masa terrestre, como aparecerían en el universo actual. Si bien existen en la región correspondiente del fondo, solo son visibles después de hacer zoom varias veces. Esta es la primera vez que estos objetos se han producido en una simulación numérica. Imagen a través de J. Wang / S. Bose /CfA.

En pocas palabras: investigadores de EE. UU. Y China utilizaron una supercomputadora para sondear los halos de materia oscura en un universo virtual. El trabajo revela los halos de materia oscura como regiones activas del cielo, repletas no solo de galaxias, sino también de colisiones emisoras de radiación que podrían hacer posible encontrar halos de materia oscura en el cielo real.

Fuente: Estructura universal de halos de materia oscura en un rango de masa de 20 órdenes de magnitud.

Vía CfA