¿Cómo sabemos que la materia oscura es oscura?

Si la materia oscura emitiera longitudes de onda muy largas de radiación electromagnética, significaría que está compuesta de partículas cargadas. No hay escape de esa conclusión. Alguien podría proponer que la materia oscura es una extraña configuración de partículas cargadas que actúa como una antena de longitud de onda muy larga. Ese podría ser un buen modelo, pero tiene un problema. Si emite radiación de longitud de onda más larga, debe ser más frío. La ley de desplazamiento de Wien es que$\lambda~=~c/T$, para$c$una constante, que puede calcularse, pero no es relevante aquí. Para$T~=~2.7$K la longitud de onda de la radiación es$.1cm$. Permítanme suponer que existe alguna radiación de longitud de onda muy larga, digamos$100m$como el límite inferior de esto. La relación de temperaturas da que

De hecho, hay muy buenas razones para creer que la materia oscura es oscura, aparte de toda la evidencia de "masa faltante" en los recuentos de luminosidad y los estudios de lentes gravitacionales.

Esto proviene de teorías de formación de estructuras a gran escala: que siempre ha tenido que haber algún tipo de materia que no interactúe electromagnéticamente en absoluto es crucial para la mayoría de los escenarios de formación de estructuras a gran escala. Las fluctuaciones de densidad en el universo actual serían demasiado grandes de lo que se podría predecir si solo hubiera materia bariónica ordinaria que interactuara solo electromagnéticamente. Con la materia oscura, puedes tener algo que gravita pero se desacopla de la radiación mucho antes que la materia bariónica. Esto permite que la materia oscura forme pozos gravitacionales (bajo colapso) que tienen mucho más tiempo para expandirse con el universo. En el momento en que la materia ordinaria se desacopla de la radiación y se une al resto del flujo de expansión, la materia ordinaria caerá rápidamente en estos grandes pozos gravitacionales de materia oscura que han tenido mucho más tiempo para crecer. Esto, en cierto modo, amplifica las perturbaciones de densidad en el universo primitivo y permite que se forme una estructura a gran escala. (en la medida en que lo vemos hoy en forma de cúmulos y galaxias)

La cantidad requerida de materia oscura calculada de esta manera para observar la escala actual de fluctuaciones de densidad coincide muy bien con la cantidad de materia oscura requerida para explicar las curvas de rotación galáctica, lentes gravitacionales, etc. estos se deben a lo mismo: algún tipo de materia que no interactúa electromagnéticamente en absoluto, a saber. materia oscura.

Aparte de las muy buenas razones teóricas que da dbrane, diría que no tenemos evidencia observacional de que DM sea realmente oscuro. Algunos de los candidatos MACHO desacreditados en gran medida, como un gran número de enanas rojas, enanas marrones, planetisimales, etc., han sido rechazados por razones teóricas, no de observación. DM, que emite ligeramente, no es detectable actualmente.

La materia oscura originalmente se llamaba así porque era materia... eso era oscuro. En otras palabras, se infirió que debía haber algo ahí fuera, en las galaxias y en los cúmulos de galaxias, que tenía un efecto gravitacional, pero que no podía detectarse fácilmente usando ondas electromagnéticas en cualquier longitud de onda.

Ahora, inicialmente se pensó que esta "materia oscura" podría ser algo difícil de detectar y que tenía una gran relación masa-luz. Un ejemplo serían las pelotas de golf perdidas. Las pelotas de golf no emiten mucha luz, bueno, no a menos que las caliente mucho. Por otro lado, sí tienen masa. Si tiene suficientes pelotas de golf (frías), entonces podría ser que todas esas pelotas de golf perdidas expliquen por qué las galaxias giran demasiado rápido en función del radio o por qué la dispersión de la velocidad de las galaxias en los cúmulos de galaxias parece demasiado alta para la cantidad de materia luminosa que puede ser contabilizado. Más en serio, las pelotas de golf cósmicas perdidas que se han considerado eran estrellas muy débiles, enanas marrones frías, enanas blancas viejas o tal vez muchos planetas o miniagujeros negros.

Prácticamente todas estas posibilidades ahora han sido excluidas (los agujeros negros primordiales aún pueden ser una posibilidad) utilizando, por ejemplo, experimentos de tránsito y microlente.

Al mismo tiempo, lo que entendemos por "materia oscura" ha evolucionado hasta convertirse en materia oscura no bariónica . No se trata solo de materia débil, sino de materia que no interactúa electromagnéticamente en absoluto. Tal materia es, por definición, absolutamente oscura.

¿Por qué se propone tal material? Bueno, en primer lugar, está la falla en detectar suficiente materia oscura bariónica (es decir, las pelotas de golf perdidas que son muy tenues), que interactúa electromagnéticamente pero es solo tenue. En segundo lugar, sabemos cuánta materia bariónica hay en el universo estimando las abundancias primordiales de helio y deuterio producidos en el big bang. La cantidad se queda corta por un factor de aproximadamente 6 de la cantidad de materia gravitatoria requerida para explicar la dinámica del universo, las galaxias y los cúmulos de galaxias. Los 5/6 restantes deben ser no bariónicos y dado que no podemos tener leptones cargados como electrones sin un número igual de bariones cargados positivamente, entonces tampoco interactúa electromagnéticamente (cualquier cantidad de positrones se habría aniquilado hace mucho tiempo). Por lo tanto, por definición, es oscuro en todas las longitudes de onda.

Nota: esta respuesta es similar a esta también escrita por mí. Esa pregunta está muy relacionada y es una lectura interesante.

¿Cómo sabemos que la materia oscura es oscura, en el sentido de que no emite luz ni la absorbe?

Para responder a su pregunta, debe comprender cómo se planteó la hipótesis de la materia oscura, por lo que aquí hay un resumen:

Usando supercomputadoras, los físicos estaban simulando el Big Bang y la formación del Universo, aplicando las teorías de la Relatividad especial y general y la Mecánica Cuántica de Einstein, experimentando con diferentes variables para intentar llegar a un sistema similar a nuestro mundo tal como es actualmente.

Mientras experimentaban, encontraron que en las simulaciones generadas por las supercomputadoras, la materia formada se atraía demasiado débilmente ; la materia y el gas fueron arrojados demasiado lejos durante el Big Bang y no pudieron "agruparse" para formar estrellas o planetas.

Intentaron agregar algo de "materia oscura"; materia que no interaccionaba con la fuerza nuclear fuerte, la nuclear débil y la electromagnética, es decir, sólo interactuaba gravitatoriamente con la materia ordinaria. Esta "masa marcadora de posición" resolvió el problema y el modelo digital evolucionó con éxito hasta convertirse en el sistema del cosmos que observamos hoy.

Lo intrigante fue que ~$85$El % (!) del universo tenía que estar formado por esta hipotética "materia oscura" para que se formara correctamente.

Conclusión: el universo no podría haber existido sin esta masa formada por WIMPs (Partículas Masivas de Interacción Débil). ¡Así que vamos a buscarlo!

La materia oscura se llama oscura porque es difícil de detectar , aunque es muy abundante. Es difícil de detectar porque no interactúa de forma nuclear o electromagnética, y los fotones (partículas de luz) son partículas electromagnéticas. El físico no asuma que está interactuando débilmente, se llamó "oscuro" porque es así.

Agregando dos puntos que aún no se han hecho aquí:

• Yo diría que las observaciones de las Oscilaciones Acústicas Bariónicas en el espectro de potencia del Fondo Cósmico de Microondas son en realidad la evidencia más fuerte de que el universo contiene una gran cantidad de materia que se acumula bajo la gravedad pero que no siente ninguna presión fotónica.
• Dado que la materia oscura no interactúa a través de la radiación electromagnética, su nombre es inapropiado. Debería llamarse materia transparente en su lugar.