Materia oscura y energía oscura [duplicado]

En primer lugar, la materia oscura y la energía oscura, a pesar de su nombre, son dos conceptos muy diferentes. Realmente no tenemos ninguna buena razón para agruparlos, aparte del hecho de que ambos representan cosas que no entendemos. Por lo tanto, no están necesariamente respaldados por los mismos conjuntos de pruebas.

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Por qué creemos que estas cosas existen

Sin embargo, da la casualidad de que algunas de las pruebas más sólidas de ambos provienen del fondo cósmico de microondas . Básicamente, cualquier "cosa" que haya en el universo tendrá un efecto sobre las fluctuaciones de temperatura y polarización en esta radiación, que se emitió unos cientos de miles de años después del Big Bang.

El mejor mapa de todo el cielo de esta radiación lo hace el satélite WMAP, y cada dos años publican varios artículos con el análisis de los datos. Por ejemplo, aquí está el documento de 2011 centrado en los parámetros cosmológicos. Básicamente, solo introducen todos los datos en un enorme programa estadístico para encontrar los valores más probables para un gran conjunto de parámetros, incluida la cantidad de materia bariónica "normal".$\Omega_\mathrm{b}$, la cantidad de materia oscura fría$\Omega_\mathrm{c}$, la cantidad de energía oscura$\Omega_\Lambda$, y la ecuación de energía oscura del parámetro de estado$w$. Se puede decir mucho sobre cuáles son los efectos de estos parámetros, pero en última instancia, simplemente no se puede explicar el CMB sin tener energía oscura y materia oscura.

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Teorías alternativas de la materia oscura

Ahora "materia oscura fría" (el CDM de la$\Lambda\text{CDM}$modelo) significa partículas masivas que interactúan a través de la gravedad y la fuerza débil pero no a través del electromagnetismo y que no eran relativistas incluso en el momento de la recombinación cuando se liberó el CMB. Simplemente, la vieja "materia oscura" se refiere a cualquier masa gravitante que no tiene mucha señal electromagnética. Las curvas de rotación de galaxias a las que te refieres fueron algunas de las primeras evidencias de materia oscura y, de hecho, podrían explicarse asumiendo una gran cantidad de agujeros negros inactivos o planetas sin estrellas o polvo que simplemente pasamos por alto por una razón u otra. Estas teorías alternativas también podrían, con suficiente manipulación, explicar el grupo de balas, donde la masa gravitatoria que se encuentra con los mapas de lentes claramente no se ubica junto con la masa bariónica en el gas intracúmulo caliente que emite rayos X. Sin embargo, las encuestas de microlentes tienden a descartar los dos primeros, y creemos que tenemos un buen manejo de la dinámica del polvo. Se requiere algo más exótico. Hay una comunidad cada vez menor que apoya la MOND (dinámica newtoniana modificada), que postula desviaciones de largo alcance de la ley del inverso del cuadrado de la gravedad. Sin embargo, el cúmulo de balas, junto con datos muy precisos del sistema solar, hace que esta teoría sea difícil de hacer funcionar.

Agregue a esto el muy agradable "milagro WIMP" (no hay una buena página wiki allí, lo siento), que sugiere que la materia oscura es un nuevo tipo de partículas. "WIMP" significa "partícula masiva de interacción débil", y el "milagro" es este: si asumes que hay una especie de partícula$\text{X}$cuya única interacción apreciable es la aniquilación con su antipartícula$\overline{\text{X}}$, con una sección transversal típica de interacciones débiles y una masa típica de, bueno, partículas, puedes calcular fácilmente la abundancia de estas cosas en el universo actual. Están en equilibrio con otras especies cuando el universo es lo suficientemente energético como para que puedan ser creados en pareja, y se "congelan" cuando el universo se enfría lo suficiente. El resultado final es más o menos lo que inferimos de otros medios.

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Teorías alternativas para la energía oscura

La energía oscura es un poco más complicada. Realmente no hay una buena explicación de "qué" es - el nombre es más un cajón de sastre para describir la expansión acelerada observada del universo. Podrías creer que es una constante cosmológica . En este caso es un escalar distinto de cero$\Lambda$en la ecuación de Einstein

$$G_{\mu\nu} + \Lambda g_{\mu\nu} = 8\pi T_{\mu\nu},$$ dónde $g$es la métrica que contiene toda la información sobre la curvatura del espacio-tiempo, $G$es una función conocida de $g$y sus dos primeras derivadas, y $T$es el tensor tensión-energía que contiene toda la información sobre la materia, la energía y la cantidad de movimiento del universo. Esto es equivalente a decir que hay alguna sustancia en el universo con ecuación de estado $P = -\rho c^2$( $P$es presión, $\rho$es la densidad de masa). [A modo de comparación, la materia difusa no relativista se aproxima bien mediante $P = 0$, y la materia relativista tiene $P = \rho c^2/3$.]

Otros están abiertos a la idea de que$w = P/(\rho c^2)$no es exactamente $-1$para esta nueva "cosa", y para que pueda ser un parámetro libre en su modelado. Toda la evidencia apunta a$w$siendo consistente con$-1$, pero las incertidumbres siguen siendo algo grandes.

Puede volverse más exótico y notar que la fase de expansión acelerada que el universo está experimentando actualmente no es del todo diferente a la inflación que muchos creen que ocurrió en el universo muy primitivo. La inflación tiene todo tipo de teorías propuestas, muchas de las cuales son variaciones de "hay un campo cuántico abstracto".$\phi$con estas ciertas propiedades..." Otros tienen lugar en el reino de las cuerdas y las branas. Muchas de estas teorías se pueden resumir en un$w$que cambia con el tiempo.

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Investigación futura

Estos campos de estudio están muy vivos y bien. La materia oscura exige tanto a los astrofísicos que estudien su papel en la dinámica a gran escala como a los físicos de partículas que intenten precisar sus propiedades. El lado de la astrofísica implica que los observadores establezcan mejores restricciones en la evidencia hasta el momento, que tiene mucho que ver con los cúmulos de galaxias y la estructura a gran escala, así como los teóricos para predecir cómo influye la materia oscura, por ejemplo, en la formación de galaxias, generalmente mediante el uso de simulaciones masivas. (Y esas simulaciones, como Millennium Simulation, a menudo conducen a películas geniales). El lado de la física involucra experimentos para tratar de detectar las cosas directamente (hay literalmente docenas de estos, demasiados para enumerarlos, y aunque hay algunas detecciones reclamadas, ninguna es realmente aceptada por la comunidad en grande). También implica encontrar un lugar para tales partículas en una versión extendida del Modelo Estándar.

La energía oscura está rogando a los físicos que presenten modelos comprobables que encajen con el resto de la física sin parecer ajustados. Todavía es muy nuevo, dado que fue solo el Premio Nobel del año pasado que reconoció a los equipos que proporcionaron una prueba innegable de su existencia en el cambio de milenio.

Por lo tanto, siéntase libre de inspirarse en estos problemas para trabajar en algún campo. Hay mucho por hacer. Incluso diría que las perspectivas son mejores que, por ejemplo, la teoría de cuerdas sola, ya que tenemos evidencia sólida e incontrovertible que dice que hay agujeros en nuestro conocimiento cuando se trata de materia oscura y energía, y estos agujeros están justo donde podemos probarlos fácilmente a través de astronomía.

Una alternativa a ΛCDM es la gravedad conforme, y arXiv:1208.4972 ofrece una descripción general del estado de la materia oscura y la energía oscura.

La gravedad conforme postula una simetría conforme universal. Conserva la estructura formal de la relatividad general pero reemplaza la acción de Einstein-Hilbert con la acción de Weyl, lo que lleva a un conjunto diferente de ecuaciones de campo gravitatorio.

Estas ecuaciones son consistentes con la aproximación newtoniana y la solución de Schwarzschild, pero de manera similar a la dinámica newtoniana modificada, explican las curvas de rotación de las galaxias sin tener que introducir materia adicional.

Si extiende la simetría conforme a los campos del modelo estándar, aparentemente es posible unificar la energía oscura y la ruptura de la simetría de Higgs, es decir, ambos pueden explicarse en términos de un solo campo escalar con simetría conforme.