Una nueva mirada a los «anillos de Einstein» alrededor de galaxias distantes nos ha acercado a resolver el debate sobre la materia oscura

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Pueden verse múltiples imágenes de la imagen de fondo creada por la lente gravitatoria del sistema HS 0810+2554. Crédito: Telescopio Espacial Hubble/NASA/ESA

Los físicos creen que la mayor parte de la materia del universo está compuesta de materia invisible que solo conocemos a través de sus efectos indirectos en las estrellas y galaxias que podemos ver.

¡No estamos locos! Sin esta «materia oscura», el universo tal como lo vemos no tendría sentido.

Pero la naturaleza de la materia oscura es un antiguo misterio. pero, nuevo estudio Escrito por Alfred Amroth de la Universidad de Hong Kong y colegas, publicado en astronomía naturalutiliza la curvatura gravitacional de la luz para acercarnos un paso más a la comprensión.

Invisible pero omnipresente

La razón por la que pensamos que existe la materia oscura es porque podemos ver sus efectos gravitatorios en el comportamiento de las galaxias. Específicamente, la materia oscura parece constituir alrededor del 85 % de la masa del universo, y la mayoría de las galaxias distantes que podemos ver parecen estar rodeadas por un halo de materia misteriosa.

Pero se llama materia oscura porque no emite, absorbe ni refleja luz, lo que la hace muy difícil de detectar.

Entonces, ¿qué son estas cosas? Creemos que debe ser algún tipo de partícula fundamental desconocida, pero aún no estamos seguros. Todos los intentos de detectar partículas de materia oscura en experimentos de laboratorio han fracasado hasta ahora y los físicos han estado debatiendo su naturaleza durante décadas.

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Los científicos han propuesto dos candidatos hipotéticos principales para la materia oscura: caracteres relativamente pesados ​​llamados partículas masivas de interacción débil (o WIMP) y partículas extremadamente livianas llamadas axiones. En teoría, los WIMP se comportan como partículas discretas, mientras que los axiones se comportan como ondas debido a la interferencia cuántica.

Fue difícil distinguir entre estas dos posibilidades, pero un ligero desvío alrededor de galaxias distantes proporcionó una pista.

Lentes gravitacionales y anillos de Einstein

Cuando la luz pasa a través del universo por un objeto masivo como una galaxia, su camino es curvo porque, según la teoría de la relatividad general de Albert Einstein, la gravedad del objeto masivo distorsiona el espacio y el tiempo a su alrededor.

Como resultado, a veces, cuando miramos una galaxia lejana, podemos ver imágenes distorsionadas de otras galaxias detrás de ella. Y si las cosas se alinean perfectamente, la luz de la galaxia de fondo circulará alrededor de la galaxia más cercana.

Esta distorsión de la luz se llama «lente gravitacional» y los círculos que puede crear se llaman «bucles de Einstein».

Al estudiar cómo se distorsionan los anillos u otras imágenes lenticulares, los astrónomos pueden conocer las propiedades del halo de materia oscura que rodea la galaxia más cercana.

Axiones frente a WIMP

Y eso es exactamente lo que hicieron Amroth y su equipo en su nuevo estudio. Observaron varios sistemas en los que se veían varias copias del mismo objeto en el fondo alrededor de la galaxia de lente en primer plano, con un enfoque particular en un sistema llamado HS 0810+2554.

Usando un modelo detallado, calcularon cómo se distorsionarían las imágenes si la materia oscura estuviera hecha de WIMP en comparación con cómo sería si la materia oscura estuviera hecha de axiones. El modelo WIMP no se parecía mucho al real, pero el modelo axion reprodujo con precisión todas las características del sistema.

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El hallazgo indica que los axiones son un candidato más probable para la materia oscura, y su capacidad para explicar las anomalías de las lentes y otras observaciones astrofísicas está irritando a los científicos.

partículas y galaxias

La nueva investigación se basa en estudios previos que también indicaron que los axiones son la forma más probable de materia oscura. por ejemplo, un estudio observó los efectos de la materia oscura del axión en el fondo cósmico de microondas, mientras último Examinando el comportamiento de la materia oscura en galaxias enanas.

Aunque esta investigación no terminará con el debate científico sobre la naturaleza de la materia oscura, abre nuevas vías para la prueba y la experimentación. Por ejemplo, las futuras observaciones de lentes gravitacionales podrían usarse para probar la naturaleza ondulatoria de los axones y posiblemente medir su masa.

Una mejor comprensión de la materia oscura tendrá implicaciones para lo que sabemos sobre la física de partículas y el universo primitivo. También puede ayudarnos a comprender mejor cómo se forman y cambian las galaxias con el tiempo.

más información:
Alfred Amroth et al., Bucles de Einstein modulados por materia oscura ondulatoria a partir de aberraciones en imágenes de lentes gravitacionales, astronomía natural (2023). DOI: 10.1038/s41550-023-01943-9

Información del diario:
astronomía natural


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