¿Por qué la materia oscura no es solo materia ordinaria?

Hay una razón muy precisa por la cual los planetas oscuros hechos de 'materia ordinaria' (bariones - partículas formadas por 3 quarks) no pueden ser la materia oscura. Resulta que la cantidad de bariones se puede medir de dos maneras diferentes en cosmología:

• Midiendo las abundancias actuales de algunos elementos ligeros (especialmente el deuterio) que son muy sensibles a la cantidad de bariones.
• Al medir la distribución de los puntos calientes y fríos en el fondo de microondas cósmico (CMB), la radiación remanente del universo primitivo que observamos hoy.

Estos dos métodos concuerdan espectacularmente, y ambos indican que los bariones son el 5% del total (energía/materia) del universo. Mientras tanto, varias medidas de agrupamiento gravitacional (lentes gravitacionales, rotación de estrellas alrededor de galaxias, etc.) indican que la materia total comprende el 25% del total. (El 75% restante está en la infame energía oscura que es irrelevante para esta pregunta en particular).

Dado que el 5 % es mucho menos que el 25 %, y dado que los errores en ambas medidas son bastante pequeños, inferimos que la mayor parte de la materia, aproximadamente 4/5 partes (es decir, el 20 % de un 25 %) es 'oscuro'. ' y NO formado por bariones.

Como se ha mencionado en las respuestas anteriores, la mayor parte de la materia ordinaria se ha considerado como candidata y estamos bastante seguros de que tiene que haber algún tipo de materia "oscura" en el trabajo.

En primer lugar, abordamos el fenómeno de la lente gravitatoria. Un ejemplo muy famoso es el cúmulo Bullet donde se pueden observar claramente los efectos de una masa compacta actuando como una lente óptica. Una masa de tal magnitud no puede ser convenientemente un grupo de enanas marrones y la mayoría de los agujeros negros que observamos tienen muchos objetos en órbita y un chorro de partículas que los acompaña. Además, un agujero negro de pequeña magnitud no sería suficiente para explicar la magnitud de la lente gravitacional en cuestión.

En segundo lugar, los cálculos mucho más complicados realizados con los principios de la relatividad general necesitan mucha más masa para dar cuenta de la forma actual y la velocidad angular de las galaxias. Puede ser fácil decir que GR está mal (lo que no deberías decir en la cara de un físico), aunque GR está incompleto en el sentido de que no es una teoría de todo, todavía explica la mayoría de los fenómenos gravitacionales. muy bien. Además, el hecho de que haya lentes gravitacionales significa que realmente HAY algún tipo de masa o atracción gravitatoria (o más bien una anomalía de curvatura del espacio-tiempo) en ciertas partes de nuestra galaxia y del universo.

Aunque la materia oscura parece tan misteriosa, podemos adivinar la mayoría de sus propiedades por nuestra "falta de conocimiento". En primer lugar, dado que es "invisible" en todo el espectro de luz, podemos suponer que no interactúa a través de la fuerza electromagnética. Dado que es una fuente de fuerza gravitacional, podemos decir que, sorpresa sorpresa, interactúa a través de la fuerza gravitatoria. Los cálculos de las fuerzas débiles y fuertes son bastante complicados y muy indirectos, así que solo diré que la mayoría de las materias oscuras actualmente propuestas también interactúan a través de fuerzas fuertes y débiles.

Un sistema planetario sin una estrella solo es posible si la estrella se extingue y se convierte en una estrella de neutrones, un agujero negro o una enana blanca, todos los cuales son detectables de alguna manera.

Además, tendría que haber una cantidad poco realista de estos sistemas estelares "desvanecidos" para siquiera dar cuenta de la masa perdida. Y suponiendo que tales sistemas planetarios sean bastante raros, preferiríamos considerar una forma inusual de materia que es bastante posible y plausible si se encuentra.

Toda la materia que sabemos que existe (llamada materia bariónica) emite algún tipo de radiación electromagnética en alguna frecuencia. A veces se mide en radiación infrarroja, porque la materia, por muy fría que esté, seguirá irradiando cierta cantidad de calor. Hasta donde sabemos, en realidad no es posible enfriar ningún asunto al cero absoluto, y ciertamente no está sucediendo de forma natural. Creo que la materia más fría que se sabe que existe en el universo está alrededor de los 3 grados Kelvin. Otras longitudes de onda pueden determinar la naturaleza exacta de la materia en cuestión y su temperatura. Por ejemplo, el oxígeno ionizado brilla en la luz visible a una cierta longitud de onda; esa es una de las cosas que hacen que las nebulosas de emisión sean visibles.

Entonces, después de medir toda esa materia en otras galaxias, notamos que simplemente no hay suficiente masa para evitar que se desintegren (es decir, las estrellas dentro de las galaxias se mueven más rápido que la velocidad de escape de la atracción gravitatoria del centro de masa de la galaxia), especialmente cuando hemos tratado de hacer modelos informáticos de galaxias. Esa fue la primera pista de que algo estaba pasando que no entendíamos del todo. Como otros han descrito, otros métodos para determinar la masa total de una galaxia han mostrado resultados similares.

Como resultado, solo hay una explicación posible para este fenómeno: debe haber algún tipo de materia (y toda la materia tiene masa) que no podemos detectar. De hecho, la cantidad de masa que no se puede contabilizar de esta manera es aproximadamente el 95% de la masa de cualquier galaxia dada. Por supuesto, eso es un gran problema.

Por cierto, hemos estado tratando de resolver esta gran discrepancia desde 1933. La diferencia entre ahora y entonces es que ha mejorado la precisión de nuestras mediciones de la velocidad de las estrellas en otras galaxias, así como nuestra capacidad para medir otros fenómenos. sucediendo dentro de las galaxias y los cúmulos de galaxias. Cuanto más precisos nos hemos vuelto en nuestras mediciones, más evidente se ha vuelto esta evidente discrepancia.

Se ha considerado la posibilidad de grandes objetos oscuros hechos de materia bariónica normal. Estos se llaman MACHO .

Sin embargo, hay varias razones para pensar que la mayor parte de la materia oscura no puede estar en forma de MACHO. Del artículo de wikipedia anterior (que enlaza con algunos artículos de revistas relevantes):

El Big Bang, tal como se entiende actualmente, simplemente no pudo producir suficientes bariones sin causar problemas importantes en las abundancias elementales observadas, [6] incluida la abundancia de deuterio. [7] Además, las observaciones separadas de las oscilaciones acústicas de los bariones, tanto en el fondo cósmico de microondas como en la estructura a gran escala de las galaxias, establecen límites en la proporción total de bariones a materia total. Estas observaciones muestran que una gran fracción de materia no bariónica es necesaria independientemente de la presencia o ausencia de MACHO.

Se han considerado todas las posibles estrellas tenues/enanas/muertas, medios interestelares (gas, polvo, nubes moleculares, etc.). Pero no son suficientes. La parte restante solo puede ser algo que nunca antes supimos. Estamos esperando algunas partículas nuevas desconocidas.

El principal eslabón perdido es la existencia de una clase de partículas que, aparte de la gravedad, interactúan lo suficientemente débil como para satisfacer la necesidad. Ya conocemos un tipo de partícula que tiene la mayoría de estas características, los neutrinos. En este caso, los físicos y los cosmólogos tienen razones teóricas para creer que el límite superior de la cantidad de masa de los neutrinos es demasiado pequeño. Pero la mera existencia de una clase de partículas que interactúan débilmente debería hacer que la posibilidad de otra parezca menos novedosa.

Como expansión de las otras respuestas, las simulaciones astrofísicas también han desempeñado un papel al descartar partículas conocidas de las explicaciones de la materia oscura.

Primero, una aclaración: se debe hacer una distinción entre la materia no bariónica abordada en la mayoría de las respuestas y las "formas de materia no descubiertas e inexplicables". Las razones por las que la mayor parte de la materia oscura debe ser no bariónica incluyen argumentos que involucran el CMB y la nucleosíntesis del Big Bang, como lo mencionaron otros. Sin embargo, la materia no bariónica (pero conocida), como los sabores conocidos de los neutrinos, parecían candidatos justos para la materia oscura incluso después de que la materia bariónica se descartara en gran medida. Más tarde, los neutrinos fueron descartados por otras fuentes de evidencia.

Una de las primeras fuentes de tal evidencia que descarta los neutrinos fue en realidad simulaciones por computadora de formación de estructuras a gran escala. En un interesante ensayo histórico escrito por Simon White (y publicado hoy, 19/6/18 en arXiv):

... los grandes vacíos [encontrados en simulaciones de universos dominados por neutrinos] en la distribución de galaxias eran incompatibles incluso con los datos de observación relativamente escasos disponibles en 1983. Esta discrepancia llevó al abandono de los neutrinos conocidos como posibles candidatos a materia oscura, incluso aunque pasarían otras dos décadas antes de que finalmente fueran excluidos por los límites superiores experimentales de sus masas. La demostración de que ninguna partícula conocida puede explicar la materia oscura sigue siendo una de las contribuciones más significativas de las simulaciones por computadora a la astrofísica y la cosmología.

Ver el ensayo aquí .

Puede estimar la masa total usando lentes gravitacionales y compararla con la masa estimada de una galaxia sumando las masas de todas las estrellas visibles y haciendo estimaciones generosas de otros tipos de materia ordinaria que podría estar allí. Todavía hay una gran discrepancia.

Si la masa adicional fuera materia ordinaria, se agruparía e interactuaría con los fotones, lo que conduciría a una distribución mucho menos difusa que la que se debe suponer para obtener la dinámica de la galaxia correcta.