Materia oscura vista a través de un bosque

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Los densos picos en el gráfico de distribución de longitudes de onda observados en un bosque Lyman-alfa se parecen de hecho a muchos árboles pequeños. Cada uno de esos picos representa una caída repentina de “luz” en una longitud de onda específica y estrecha, mapeando efectivamente la materia que la luz ha encontrado en su viaje hacia nosotros).

Es algo parecido a las sombras chinescas, en que adivinamos el personaje colocado entre la luz y la pantalla en función de su silueta. Los astrofísicos reconocen bien la “sombra” de las moléculas de hidrógeno, suspendidas a grandes distancias entre nosotros y la luz proyectada por intensas fuentes luminosas aún más lejanas. Las imágenes utilizadas se llaman espectrogramas. Son descomposiciones de la radiación, que por simplicidad llamaremos luz, pero que también incluye frecuencias que nuestros ojos no pueden ver, en las bandas de longitud de onda que la componen.

Reconstrucción artística del recorrido de un fotón a través del gas intergaláctico. Crédito de la imagen: UC Riverside.

“Es como una especie de arco iris de grano muy fino”, explicó Simeon Bird, físico de UC Riverside y uno de los autores del estudio. Vemos un arco iris cuando la luz del Sol pasa a través de un prisma (o una gota de agua) y se divide en sus ‘ingredientes’, las longitudes de onda que se mezclan aparecen como luz blanca. En los espectrogramas de luz procedente de fuentes cósmicas como los cuásares ocurre lo mismo, sólo que casi siempre faltan algunas frecuencias, visibles como bandas negras donde la luz está ausente, como si algo hubiera proyectado una sombra. Estos son los átomos y moléculas que la luz ha encontrado en el camino. Dado que cada tipo de átomo tiene una forma específica de absorber la luz, dejando una especie de firma en el espectrograma, es posible rastrear su presencia, especialmente la del hidrógeno, el elemento más abundante en el universo.

“El hidrógeno es útil porque es como un marcador de materia oscura”, señaló Bird. La materia oscura es uno de los grandes desafíos de los estudios actuales del Universo: todavía no sabemos qué es y nunca la hemos visto, pero estamos seguros de que existe en gran abundancia, mayor que la de la materia normal. Bird y sus colegas utilizaron hidrógeno para rastrearlo indirectamente. “Es como meter tintura en un chorro de agua: la tintura seguirá el camino del agua. La materia oscura gravita por lo que tiene un potencial gravitacional. El gas hidrógeno cae en él y se utiliza como marcador de materia oscura. Donde es más denso hay más materia oscura. Puedes pensar en el hidrógeno como la tintura y en la materia oscura como el agua”.

El trabajo de M.A Fernández et al. hace más que simplemente monitorear la materia oscura. En los estudios actuales del cosmos, existen algunas de las llamadas “tensiones” o discrepancias entre las observaciones y las predicciones teóricas.

Ejemplo de simulaciones PRIYA. Crédito de la imagen: UC Riverside

Es como abrir una lata de tomates pelados y encontrar bolitas de vidrio en su interior: basándose en tus suposiciones sobre cómo funciona el mundo, esperarías una cosa, pero, sorprendentemente, los hechos te contradicen. Tu sentido común es equivalente a los modelos teóricos de la física: te llevan a hacer predicciones sobre el contenido, pero luego miras en el interior de la lata y te quedas sin palabras.

Podrían haber pasado dos cosas: tienes problemas de visión y efectivamente son tomates, o tu base de conocimientos es errónea (tal vez estás en un país extranjero y leíste mal la etiqueta de la lata). Algo parecido ocurre en los estudios de la Física del Universo. “Una de las tensiones actuales es la cantidad de galaxias a pequeña escala y con bajos corrimientos al rojo”, detalló Bird. El Universo de bajo corrimiento al rojo es el que está relativamente cercano a nosotros.

“Las hipótesis actuales para explicar la discrepancia entre observaciones y expectativas son dos: que existe una partícula nunca antes vista de la que no sabemos nada, o que algo extraño está sucediendo con los agujeros negros supermasivos en el interior de las galaxias. Los agujeros negros están obstaculizando el crecimiento de las galaxias de alguna manera, y por lo tanto están arruinando nuestros cálculos estructurales”, especificó.

Otro ejemplo de simulaciones PRIYA. Crédito de la imagen: UC Riverside

El trabajo de Bird y sus colegas ha confirmado la validez de la tensión (por lo que, de hecho, son bolitas y no tomates). También ha hecho algo más. “La importancia de esta detección es todavía bastante pequeña, por lo que aún no es completamente convincente. Pero si esto se confirma en conjuntos de datos posteriores, entonces es mucho más probable que se trate de una nueva partícula o algún nuevo tipo de Física, en lugar de que los agujeros negros arruinen nuestros cálculos”, concluyó el científico.

Importante
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El artículo Cosmological constraints from the eBOSS Lyman-α forest using the PRIYA simulations fue publicado en Journal of Cosmology and Astroparticle Physics M.A. Fernandez, Simeon Bird and Ming-Feng Ho

Published 17 July 2024 • © 2024 IOP Publishing Ltd and Sissa Medialab Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, Volume 2024, July 2024 Citation M.A. Fernandez et al JCAP07(2024)029 DOI 10.1088/1475-7516/2024/07/029