lunes, 30 de mayo de 2016

Condensados de materia oscura

Si la materia oscura está compuesta por bosones entonces esto habría tenido consecuencias sobre la inflación y generado ondas gravitacionales detectables.

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Seguimos sin saber en qué consiste esa materia oscura que constituye más del 70% de la masa del Universo, principalmente porque no hemos sido capaces aún de detectar las partículas que la forman.
Normalmente se asume que las partículas que constituyen esta materia son WIMPs o partículas débilmente interactuantes, pese al problema observacional de la inexistencia de minigalaxias orbitando la nuestra que esta propuesta predice. Debido a esto y a que no se han conseguido detectar directamente dichas partículas, se da alas a los teóricos para que inventen otras posibilidades. Hay muchas propuestas y casi todas exóticas. Una de estas ideas es que la materia oscura estaría compuesta por bosones.
Antes de nada recordemos que el bosón es una clase de partículas que tienen spin entero y que se rigen por la estadística de Bose-Einstein cuando está junto a otros. Los fotones de luz son bosones, lo son las partículas que portan la fuerza débil, los de la fuerza fuerte y los gravitones (si es que existen). El bosón de Higgs es, obviamente, otro bosón. Incluso algunos átomos simples se comportan como bosones. Naturalmente, ninguno de estos bosones conocidos constituiría la materia oscura.
Los bosones tienen una particularidad y es que un grupo de ellos, por muy grande que sea, puede formar “grumos” o condensados de Bose-Einstein de partículas en un mismo estado, un agregado que se comporta como un único objeto cuántico. Esto se debe a que los bosones pueden ocupar todos el mismo estado cuántico a la vez. Son partículas “sociables” a las que no les importa compartir su “espacio vital” con otras de su género.
Si la materia oscura está hecha de algún tipo de bosón (a diferencia de las WIMPs que serían fermiones), en tiempos modernos estas partículas de materia oscura se comportarían de manera similar (a efectos gravitatorios) a los fermiones WIMPs y casi sólo interaccionarían gravitacionalmente con la materia ordinaria. Pero su efecto habría sido importante al poco de darse el Big Bang.
Esto es precisamente lo que ha estudiado Paul Shapiro (University of Texas, Austin) junto a sus colaboradores recientemente. Según ellos los bosones de materia oscura habrían tenido consecuencias sorprendentes en la evolución temprana del Universo y podrían haber provocado efectos que se podrían detectaren la actualidad.
Por otro lado, se cree que el Universo sufrió un periodo de expansión a ritmo exponencial que se denomina inflación. Algunas versiones de la teoría inflacionaria predicen la existencia de ondas gravitacionales de gran tamaño, ondas que habrían dejado una señal en el fondo cósmico de radiación en forma de modos-B de polarización. Esto es precisamente lo que se creyó encontrar con BICEPS-2 en 2013 (en el gráfico de cabecera), pero al final resultó ser un efecto del polvo de nuestra galaxia.
Las ondas gravitacionales existen, ya que ahora, gracias a LIGO, se pueden detectar directamente, aunque en este caso se trate de ondas gravitacionales generadas por otros fenómenos astrofísicos, como la colisión de agujeros negros. Se supone que la detección directa de ondas gravitacionales primordiales es casi imposible porque su longitud de onda es tan larga que el instrumento tendría que ser grandísimo.
Sin embargo, según Shapiro, la materia oscura hecha por bosones cambia este panorama. Estas partículas alteran su comportamiento si nos remontamos en el tiempo a estas fases iniciales del Big Bang y actuarían como radiación en lugar de como materia. En los primeros instantes incluso se comportaría como un fluido y resistiría la compresión. Sería como si el Universo estuviese relleno de un fluido que ofrecería una resistencia al cambio.
Es precisamente esta resistencia de la materia oscura formando un condensado lo que habría sujetado la expansión exponencial de la inflación. Al final de la misma el Universo se expandiría más lentamente con este tipo de materia en su seno que sin ella.
Pero las ondas gravitacionales se habrían propagado a través del Universo de ese tiempo a la misma velocidad que antes. En consecuencia, se mostrarían más y, por tanto, se podrían detectar fácilmente. Según estos investigadores, este tipo de materia oscura habría parado lo suficiente la expansión exponencial de la inflación como para que haya esperanzas de que las ondas gravitacionales primordiales sean visibles para LIGO.
La ventaja de esta idea exótica es que es falsable y, por tanto, científica. Si al final LIGO no detecta este tipo de ondas gravitacionales primordiales entonces la hipótesis puede ir a la papelera.
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