Una idea que resuelve los misterios de la energía oscura y la abundancia de litio

Escrito por Kanijo en Astrobiología, Fí­sica, tags: cosmología, energía oscura, litio, Principio Copernicano

Una simple idea explica dos de los mayores problemas de la cosmología, pero introduce un nuevo obstáculo.

Uno de los mayores retos de la ciencia moderna es explicar las observaciones que apuntan a una expansión acelerada del universo.

Éstas llegaron cuando los astrónomos dijeron que las supernovas más lejanas son más tenues y por lo tanto están más lejos de lo que deberían si el universo simplemente se estuviese expandiendo. Pero en lugar de eso, la expansión debe estar acelerando, dicen.

La explicación convencional para esta aceleración es que el universo debe estar repleto de una invisible energía oscura que fuerza este proceso.

Esto es algo con lo que muchos científicos no se sienten a gusto. Los cálculos convencionales de la energía del vacío del universo dan un número que es 120 órdenes de magnitud menor de lo que tendría que tener la energía oscura. Y luego tenemos el pequeño problema de la conservación de la energía, que parece violarse con la energía oscura. Todo junto deja un estado de la situación bastante poco satisfactorio.

Hay otro problema, aparentemente no conectado, con el que luchan los cosmólogos: la abundancia de elementos que debe haberse creado en el Big Bang.

Nuestros modelos para el Big Bang y cómo el universo creció en sus primeros minutos hacen predicciones muy precisas sobre la abundancia de elementos que deben haberse creado en el proceso.

Por ejemplo, debe haber enormes cantidades de hidrógeno, deuterio y helio-4. Y las medidas de estos materiales más o menos encajan con exactitud con las predicciones.

No obstante, la teoría también predice que también debería haberse formado una cierta cantidad de litio. El problema es que, hasta donde podemos ver, el universo contiene sólo un tercio de esta cantidad. Esto ha provocado más de un dolor de cabeza.

Ahora, Marco Regis y Chris Clarkson de la Universidad de Ciudad del Cabo en Sudáfrica dicen que pueden explicar esta escasez de litio. Lo extraordinario, sin embargo, es que la misma idea explica también las observaciones de supernovas sin necesidad de expansión acelerada o energía oscura.

Su nueva idea es que la abundancia de litio puede explicarse abandonando una de las suposiciones fundamentales de la cosmología moderna: El Principio Copernicano. Es la idea de que nos humanos no tenemos una posición privilegiada en el universo. Para los cosmólogos, esto significa que el universo debe ser más o menos igual en todos sitios y a todas escalas.

Distintos cosmólogos han señalado que si abandonamos este principio, sería bastante fácil explicar los datos de las supernovas. Simplemente indican que el universo no es homogéneo a las escalas más grandes. En lugar de esto, debemos estar situados en el centro de algún tipo de gigantesco vacío en un universo mucho mayor.

Ahora, Regis y Clarkson dicen que el mismo tipo de pensamiento – que hay distintas irregularidades en la forma en que la materia se distribuye por el universo – puede explicar la falta de litio.

Ésta es una interesante contribución al debate. Que la misma idea parezca explicar dos observaciones aparentemente no conectadas, es una poderosa razón para echarle un vistazo más en detalle.

A la vista de esto, parece una pérdida menor abandonar el Principio Copernicano a esta escala. Después de todo, ¿por qué debería estar distribuida equitativamente la materia del universo a esta escala?

No obstante, esto introduce un incómodo problema. La afirmación de Regis y Clarkson es que el universo contiene una región a la que le falta litio. Esto no es difícil de aceptar. Lo difícil de tragar, en caso de ser cierto, son que las observaciones indican que la Tierra está en el mismo centro de la misma.

Esto sería una extraordinaria coincidencia, una que Regis y Clarkson dicen que tiene apenas 1 posibilidad entre 10⁸ de suceder.

Pero también señalan que esto tiene que compararse con los problemas del modelo estándar de la física, que está 120 órdenes de magnitud por debajo de la energía oscura.

Haz tu elección. Sea cual sea, parece que los cosmólogos tendrán que seguir pensando mucho para sacarnos del aprieto.

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Artículo de Referencia: arxiv.org/abs/1003.1043: Do Primordial Lithium Abundances Imply There’s No Dark Energy?

Fecha Original: 23 de agosto de 2010
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La materia perdida del Universo estaría a 400 millones de años luz de la Tierra

El hallazgo fue posible gracias a observaciones de rayos X en el borde de un agujero negro

Un equipo de científicos ha econtrado evidencias de la “materia perdida” en el Universo cercano utilizando dos telescopios de rayos X (el Chandra y el XMM-Newton). Esta materia, compuesta por gas caliente difuso conocido como WHIM (medio intergaláctico templado-caliente), ha sido uno de los persistentes misterios cosmológicos de los últimos tiempos. Para obtener estos resultados, los investigadores analizaron la luz de rayos X procedente de un lugar del cosmos que se encuentra a 400 millones de años luz de la Tierra. Por Yaiza Martínez.

Recreación artística del WHIM en la Pared del Escultor. Fuente: NASA.

Un equipo de astrónomos ha conseguido encontrar una vasta reserva de gas intergaláctico situada a unos 400 millones de años luz de la Tierra en la que podría encontrarse la “materia perdida” del Universo que los científicos llevan años buscando.

El Universo contiene miles de millones de galaxias, pero se sabe que sólo una pequeña cantidad de la materia que lo conforma se encuentra en ella, y es claramente visible. El resto, creado durante y justo después del Big Bang, es gas ionizado difícil de observar directamente.

Los científicos, dirigidos por el astrónomo Taotao Fang, de la Universidad de California en Irvine (UCI), utilizaron los telescopios del Observatorio de rayos X Chandra de la NASA y del Centro XMM-Newton de la ESA para observar dicha vasta reserva de gas intergaláctico, encontrando en ella la evidencia más importante hasta la fecha de que allí se encuentra la materia universal perdida.

Misterio y predicción

La materia perdida está compuesta por bariones, una familia de partículas subatómicas (como protones o neutrones) presente también en la Tierra, las estrellas, las galaxias, etc.

Hasta ahora, las mediciones realizadas de nubes de gas distantes y galaxias habían proporcionado una buena estimación de la cantidad de esta materia presente en el Universo cuando éste tenía sólo unos pocos miles de millones de años.

Sin embargo, un recuento del universo cercano mucho más antiguo ha revelado siempre sólo alrededor de la mitad de la materia normal presente en él, lo que ha supuesto una deficiencia demasiado amplia en las estimaciones.

Según publica la NASA en un comunicado, el misterio era, por tanto, dónde residía la materia perdida del universo cercano.

En predicciones anteriores se había establecido que la mayoría de ella debía encontrarse en forma de gas difuso y caliente, bautizado como Warm-Hot Intergalactic Medium (WHIM) (“medio intergaláctico templado-caliente”).

WHIM estaría compuesto por el material generado a partir de la formación de las galaxias. Sin embargo, hasta ahora, había sido difícil de captar debido a que la materia que lo compone es tan difusa que las propias observaciones lo atraviesan.

Descubierta por la luz

Fang y sus colaboradores lo han conseguido de la siguiente forma: examinaron los registros de rayos X de un agujero negro supermasivo y de rápido crecimiento, un núcleo galáctico activo o AGN. Este agujero negro, que se encuentra a una distancia de unos dos mil millones de años luz, genera cantidades inmensas de luz de rayos X, a medida que absorbe la materia hacia su interior.

Situada a lo largo de la línea de observación de este AGN, a una distancia de alrededor de 400 millones de años luz de la Tierra, se encuentra una estructura conocida como Pared del Escultor.

Esta estructura es muy difusa y se prolonga a lo largo de decenas de millones de años luz conteniendo en su interior miles de galaxias y, según se creía, también una reserva importante de WHIM, en el que podría hallarse la materia buscada.

El WHIM de la Pared del Escultor absorbe algunos de los rayos-X del AGN, cuando éstos realizan su recorrido por el espacio intergaláctico hacia la Tierra. Esto es lo que observaron los astrónomos: la absorción de los rayos X por parte de los átomos de oxígeno del WHIM, que fue claramente detectada.

Según los científicos, las características de esta absorción serían coherentes con la temperatura y la densidad previstas del WHIM, lo que significa que esta nube de gas contendría la materia perdida del universo.

Tres componentes del Universo

Anteriormente, había habido detecciones de posibles WHIM en el universo cercano como resultado de observaciones ultravioletas u observaciones tomadas a lo largo de la líneas de visión de cuásares. Sin embargo, estas observaciones daban cuenta de sólo una relativamente pequeña fracción de este medio galáctico.

Según los científicos, encontrar evidencias de dicho medio, en el que estaría la materia perdida, es mucho más difícil que encontrar evidencias de la materia oscura, una materia de composición desconocida que no emite o refleja suficiente radiación electromagnética para ser observada directamente pero que constituye la gran mayoría de la masa del Universo observable. La materia oscura es invisible, pero puede detectarse por sus efectos gravitacionales sobre estrellas y galaxias.

En general, se cree que el universo está formado por tres componentes: la materia normal (5%) –materia perdida o no-, la materia oscura (22%) y la energía oscura (73%), una forma hipotética de energía que se piensa se encuentra presente en todo el espacio, produciendo una presión negativa y e incrementando la aceleración de la expansión del Universo.

Nueva Confirmación de Que la Expansión del Universo Está Acelerada Por una Fuerza Desconocida

7 de Mayo de 2010. Un grupo de astrónomos, dirigido por Tim Schrabback del Observatorio de Leiden, en los Países Bajos, ha realizado un estudio intensivo de más de 446.000 galaxias observadas por el Telescopio Espacial Hubble. Los resultados confirman la aceleración en la expansión del universo, una aceleración atribuida a la misteriosa Energía Oscura.


Además de los datos del Hubble, los investigadores, entre quienes figura Patrick Simon de la Universidad de Edimburgo, utilizaron datos de telescopios terrestres para asignar distancias a 194.000 de las galaxias observadas.

El número de galaxias incluidas en este tipo de análisis no tiene precedentes, pero lo más importante es la cantidad enorme de información que los astrónomos han logrado obtener acerca de las estructuras invisibles en el universo.

En particular, los astrónomos lograron "pesar" la distribución a gran escala de la materia en el espacio a grandes distancias. Para ello, se valieron del hecho de que esta información se puede obtener a partir de cómo aparece distorsionada la forma de las galaxias lejanas por el efecto de lente gravitacional débil.

Usando algoritmos complejos, el equipo dirigido por Schrabback ha mejorado el método estándar y ha obtenido las mediciones de la forma de las galaxias con una precisión sin precedentes.

Este estudio brinda una confirmación independiente de que la expansión del Universo se acelera por un misterioso componente adicional, la Energía Oscura.

Los científicos necesitan saber cómo ha evolucionado la formación de las aglomeraciones de materia en la historia del universo, para determinar cómo tales acumulaciones fueron afectadas por la fuerza gravitacional, que mantiene la materia unida, y por la energía oscura, que tiende a dispersarla al acelerar la expansión del universo.

Información adicional en:

• Scitech News

La primera fotografía de la Materia Oscura

La misteriosa materia que compondría el 23 % (se especula) de toda la materia del universo es tan esquiva que jamás ha sido observada por nadie. Así que sólo podíamos sospechar que quizá existía. La materia oscura emite, absorbe e interactúa con radiación electromagnética de manera tan débil que no puede ser observada por medios técnicos ordinarios, no refleja la luz para ser observada.

Sin embargo, un equipo internacional de astrónomos de Japón, Gran Bretaña y Taiwan acaba de conseguir, por primera vez, imágenes que reflejan la distribución de materia oscura alrededor de 20 grandes cúmulos de galaxias. Los resultados se publicarán en la revista mensual de la Royal Astronomical Society. Las pruebas aún no son concluyentes, pero sí muy esperanzadoras.

Ni en el infrarrojo, ni en los rayos X ni en el ultravioleta la materia oscura había revelado aún su auténtica naturaleza. Pero utilizando lentes gravitacionales los científicos han sido capaces de mostrar las primeras imágenes en las que se “aprecia” la misteriosa materia oscura.

¿Primeras pruebas de que la materia espejo puede llenar el universo?

Escrito por Kanijo en Astronomía, Fí­sica, tags: CoGent, DAMA, materia espejo, materia oscura

Si existe la materia oscura, puede tener la forma de planetas espejo, estrellas espejo y galaxias espejo. Ahora, un físico dice que las pruebas más recientes parecen confirmar esta idea.

Cuando los astrónomos estudian galaxias lejanas, ven sólo una pequeña fracción de la masa necesaria para mantener unidos estos cúmulos de estrellas. Sin algún tipo de masa extra oculta, las galaxias deberían desmembrarse.

Los astrónomos llaman a esta masa oculta ‘materia oscura’ y los físicos de todo el mundo están implicados en una carrera cada vez más desesperada por encontrar evidencias de la misma en la Tierra. Por esto es por lo que hay más de 30 experimentos en distintas partes del planeta buscando este material.

El consenso es que, a pesar de este esfuerzo global, la materia oscura sigue estando muy oculta. Nadie ha visto nada de este material.

Es decir, nadie excepto un grupo italiano que ha pasado la última década aproximadamente observando un trozo gigante de yoduro de sodio. Creen que cualquier materia oscura que impacte en el yoduro de sodio debería generar un fotón. Y conforme la Tierra se mueve alrededor del Sol, deberían ver más fotones cuando va directo al mar de fondo de materia oscura, que cuando se aleja del mismo.

Efectivamente, esta señal estacional es exactamente lo que el equipo dice que ve. Afirman que su experimento, conocido como DAMA/LIBRA es la primera prueba directa de materia oscura.

El problema es que nadie más los cree, principalmente porque muchos otros experimentos no han visto nada. Los críticos dicen que debe haber otra cosa que sea la responsable de estas señales estacionales, tal vez algún tipo de cambio ambiental como una variación de la temperatura.

Entonces, hace un mes, todo cambió cuando un experimento llamado CoGent con sede en los Estados Unidos, informó de que también había encontrado una señal de materia oscura. CoGent busca evidencias de partículas de materia oscura que han impactado en un cristal de germanio y, en efecto, el equipo de CoGent dice que el experimento está produciendo abundantes pruebas de este tipo de colisiones.

Curiosamente, mientras la mayor parte de experimentos están buscando partículas de materia oscura relativamente peasadas, que deberían producir colisiones de mayor energía, CoGent busca partículas mucho más ligeras.

Lo interesante es que las pruebas de DAMA/LIBRA están en un rango de masa similar.

Ahora, los teóricos intentan reconciliar los resultados de DAMA y CoGent buscando un modelo de materia oscura que pueda explicar ambos. El mes pasado, Liam Fitzpatrick de la Universidad de Boston y un par de compañeros sugirieron que una partícula de materia oscura ligera y de interacción débil, podría explicar ambos resultados.

Y hoy, Robert Foot de la Universidad de Melbourne ha dado una solución aún más interesante. Dice que la materia espejo podría explicar ambas. “Este resultado refuerza la interpretación de la materia espejo en los experimentos de detección directa”, comenta.

La teoría tras la materia espejo sugiere que cada partícula del modelo estándar tiene un equivalente espejo que interactúa con la materia común sólo muy débilmente.

No obstante, las partículas espejo interactúan entre sí de la misma forma que las partículas comunes. Por lo que en este escenario, el universo está lleno de planetas, estrellas y galaxias espejo. Una idea desconcertante.

Foot es uno de los principales defensores de la materia espejo y dice que otras observaciones también apuntan a su existencia.

Tal vez, las nuevas evidencias tienten a los astrónomos a buscar más. De existir, la materia espejo debería ser observable mediante otros métodos. Por ejemplo, su gravedad provocaría una curvatura de la luz que generaría eventos de microlente, aunque serían difíciles de distinguir los eventos de microlente de materia espejo de aquellos provocados por la materia común tenue.

Aún así, una interesante vía para continuar.

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Referencias: arxiv.org/abs/1004.1424 : A CoGeNT Confirmation Of The DAMA Signal y arxiv.org/abs/1003.0014: Implications Of CoGeNT And DAMA For Light WIMP Dark Matter
Fecha Original: 26 de abril de 2010
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Viendo lo invisible: Una lente cósmica sobre la materia oscura

Observar la materia oscura, el material invisible que forma la mayor parte del universo, necesita algo de ingenio. Michael Gladders tiene algunas sugerencias creativas.

Esta misteriosa materia es conocida como “oscura” debido a que no interactúa con la luz. Pero los astrónomos pueden observar sus gigantescas huellas por todo el cosmos en las distorsiones que causa, cuando la gravedad procedente de descomunales cúmulos de galaxias y la materia oscura curvan la luz cercana en su camino hacia la Tierra.

Gladders tomará un nuevo enfoque para buscar respuestas entre los objetos más masivos del universo — los cúmulos de galaxias. El enorme tirón gravitatorio de un inmenso objeto lejano puede convertirse en una especie de lente, alterando las ondas de luz como un par de gafas de lectura. La investigación de Gladders se centra en tal efecto, conocido como lente gravitatoria. Si sabe lo que esperar sin la distorsión, puede calcular lo que sea que está provocando que pase.

“La gravedad actúa casi como una óptica, o una lente”, dijo Gladders, Profesor Ayudante de Astronomía. “La gravedad en este caso está causada por la masa de enormes cúmulos de galaxias, que son en su mayor parte materia oscura”.

La materia oscura ha desconcertado a físicos y astrónomos desde la década de 1930, cuando se dedujo su presencia a partir de cálculos para explicar los movimientos de las galaxias dentro de de los cúmulos galácticos. Aunque nadie comprende aún que es la materia oscura, hay una gran cantidad de teorías aspirantes, y Gladders planea ayudar a ordenarlas.

“Nos preguntaremos cómo actúan las lentes para distorsionar las imágenes celestes de fondo”, dice. “Entonces podremos decir, ‘Esto es lo que se espera dada esta cantidad de materia oscura’. Como mínimo se eliminarán algunos de los modelos aspirantes, y tal vez uno quedará como destacado”.

Gladders prueba la fuerza de las lentes gravitatorias de forma muy similar a como un optometrista calcula la prescripción de un par de gafas. El objetivo es encontrar el tipo adecuado de cúmulos. “Los cúmulos son raros”, dice Gladders. “Y aquellos que exhiben el efecto lente son aún más raros, y realmente difíciles de encontrar”.

Para buscar cúmulos galácticos que actúan como lentes gravitatorias, Gladders peina catálogos de galaxias buscando las a veces sutiles altas densidades en la distribución de la galaxia que marcan los cúmulos. El mayor de tales catálogos es el Estudio Digital del Cielo Sloan, que contiene información de aproximadamente 250 millones de objetos.

El segundo catálogo en tamaño es el Estudio de Cúmulos de Secuencia Roja del propio Gladders, que comprende aproximadamente 150 millones de objetos, algunos de los cuales son más de un millón de veces más tenues que los objetos más débiles visibles a simple vista.

Gladders reducirá la lista de sospechosos a aproximadamente 50 000 de los cúmulos galácticos más prometedores. La tarea entonces es generar una lista de unos pocos cientos lentes gravitatorias que merodean en este vasto conjunto de datos. “Estos son objetos visualmente espectaculares”, dijo Gladders. “Tienen un aspecto de verdadero descubrimiento para ellos”.

Gladders es un habitual en los principales observatorios del mundo. Ha visitado los telescopios Magallanes en el Observatorio de Las Campanas, en las remotas laderas andinas de Chile, más de 30 veces. Llegar allí es un privilegio y una hazaña, y necesita meses de preparación. Por lo que cuando su última visita se solapó con su clase de “Astronomy and Astrophysics of Stars (Astronomía y Astrofísica de las estrellas)” en Chicago, Gladders simplemente dio la charla desde Chile a través de Internet.

Fue capaz de compartir con sus estudiantes el disfrute de hacer astronomía 18 horas al día, con tres o cuatro horas de sueño y grandes cantidades de café, manejando el telescopio, tomando datos, modificando el programa. “Cuando una noche está nublado, tienes que pensar cómo lograr dos noches de trabajo durante la siguiente”, comenta.

“Aún lo disfruto, los fascinantes momentos en la cima de una montaña, en una sala de control, con montañas de ordenadores. Hay una cualidad mística en la experiencia, mantenerte observando el cielo por la noche, pensando en profundas cuestiones que te has estado haciendo durante años. Entre mi lista de prioridades, ésta se encuentra casi por encima de cualquier otra”.

Nacido en Southampton, Inglaterra, Gladders estudió brevemente en la Universidad de Victoria en Canadá, antes de ser expulsado por malas notas. “Esto puede servir a los estudiantes para aprender que a veces puedes caer y volver a levantarte”, comenta.

Trabajó como geofísico para la industria petrolífera en Calgary hasta que fue readmitido en la universidad. Se mudó para su doctorado a la Universidad de Toronto, y se hizo miembro de los Observatorios Carnegie en Pasadena, California, antes de unirse al profesorado de la Universidad de Chicago.

Gladders ahora ayuda a recopilar las grandes muestras que los astrónomos necesitan para las robustas pruebas de sus modelos. “Hace unos años el total de muestras conocidas de lentes era de apenas un puñado de objetos”, comenta. “Ahora estamos encontrando cientos de ellas”.

Con respecto a las medidas directas, dice Gladders, algunos astrónomos tienen muchas esperanzas en el Gran Colisionador de Hadrones, el nuevo acelerador bajo la frontera franco-suiza. “El LHC puede revelar la ‘partícula de materia oscura’.

“Si no es así”, añade, “puede que las pruebas astronómicas sean el único camino”.