NeoFronteras

Propuesta de matería oscura asimétrica

Área: Física — Lunes, 12 de Octubre de 2015

Indicios señalan que la materia oscura podría estar constituida por partículas asimétricas que no serían sus propias antipartículas.

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Si no logramos detectar pronto las tan ansiadas partículas que forman la materia oscura pronto se podrá rellenar una enciclopedia con las propuestas que tratan de aclarar su naturaleza. La última (posiblemente ya penúltima) es la materia oscura asimétrica y ha sido propuesta por Joseph Bramante de University of Notre Dame (Indiana, EEUU).
Las estrellas que nos permiten medir distancias cosmológicas son las supernovas de tipo Ia. Estas supernovas forman parte de un sistema binario en la que hay una enana blanca. Este tipo de estrellas no son lo suficientemente masivas como comprimir tanto el material de su interior y que se den reacciones de fusión nuclear. Para ello tendrían que alcanzar el límite de Chandrasekhar, que es de 1,4 masas solares.
Pero, en este tipo de sistemas, la enana blanca está tan cerca de su compañera que puede ir robando materia a esta. La materia va cayendo desde disco de acreción que se forma alrededor de la enana blanca y va aumentando la masa de la estrella poco a poco. Al cabo de un tiempo se alcanza el límite y ¡pum!, la estrella explota masivamente destruyéndose a sí misma. No queda ni agujero negro ni estrella de neutrones, sólo gas en rápida expansión.
Como la explosión de este tipo se da siempre cuando se alcanza ese límite, este tipo de supernova tiene siempre el mismo brillo intrínseco. Una vez alcanza el máximo brillo, este va disminuye poco a poco según pasan los días. Esta curva de intensidad es, por tanto, la misma para todas estas supernovas de tipo Ia. Es esto lo que nos permite usar este tipo de supernovas para medir distancias cosmológicas, pues sabiendo su brillo intrínseco y el brillo medido se sabe la distancia a la que están sin más que usar la regla geométrica que dice que la intensidad disminuye según el inverso del cuadrado de la distancia.
Bueno, todo esto es en teoría, porque cuando se miden las cosas, los astrofísicos se llevan algunas sorpresas con este fenómeno. Al parecer, algunas supernovas de tipo Ia no se comportan como acabamos de describir, En un estudio de 2014 se comprobó que algunas de estas enanas blancas explotan como supernovas antes de llegar al límite de Chandrasekhar, dándose casos de hacerlo cuando sólo tienen 0,9 masas solares.
Por otro lado, se supone que las propuestas WIPM típicas que se suelen proponer para constituir la materia oscura son su sus propias antipartículas. Es decir, es una materia oscura simétrica. Sin embargo, podría ser que la materia oscura fuera, en realidad, asimétrica al igual que lo es la ordinaria. Las partículas que componen la materia ordinaria tienen sus antipartículas, pero estas hay que producirlas en el laboratorio porque a comienzos del Big Bang la antimateria presente se aniquiló con sus correspondientes partículas. Si hay ahora materia ordinaria es porque entonces hubo un desequilibrio entre materia y antimateria de tal modo que había un poco más de la primera.
Pues bien, Bramante propone que la materia oscura tenga su antimateria oscura y que esta también desapareció hace mucho tiempo por mutua aniquilación.
Se estima que la materia oscura es sólo un 80% del total de materia, así que esto, según este físico, indicaría que sufrió un proceso de aniquilación y de desequilibrio entre materia y antimateria oscuras similar al que le pasó a la materia ordinaria.
Además, propone que la materia oscura asimétrica cae en la enana blanca de la que acabamos de hablar hasta que es capaz de disparar el proceso explosivo de tipo supernova Ia y antes de llegar al límite de Chandrasekhar.
La materia oscura asimétrica podría generar una energía gravitacional extra que permitiría esta explosión antes de tiempo. Al lo largo del tiempo esta materia oscura iría cayendo desde los alrededores hacia la estrella y formaría una bola de materia oscura en su interior. Llegaría a ser tan masiva esta bola que colapsaría sobre ella misma, lo que transferiría energía gravitatoria potencial a los núcleos de los átomos de oxígeno y carbono de la estrella, lo que los calentaría lo suficiente como para que se diera la fusión nuclear entre ellos de golpe y generar la explosión de supernova.
Esto es algo que no podrían hacer las partículas tipo WIMP al ser simétricas y aniquilarse antes entre ellas.
Al hacer números Bramante llega a la conclusión de que la explosión prematura se puede dar con masas solares de entre 0,9 y 1,4 si es mediada por partículas de materia oscura asimétricas de entre 106 y 108 GeV/c2.
Un estudio de correlación con los datos experimentales de explosiones de supernovas de tipo Ia indica que la idea funciona, pero sólo con una significación estadística de 2,8 σ, un poco por debajo de las 5 σ que se requieren en física de altas energías para proclamar un descubrimiento. Pero aún así es una fuerte correlación.
Otro argumento que usa a favor de la materia oscura asimétrica es la escasez de púlsares en el centro galáctico. Según él esto podría deberse a la mayor cantidad de materia oscura que hay en esa región de la Vía Láctea. Esta materia oscura asimétrica caería en la estrella de neutrones que hace de pulsar y se terminaría convirtiendo en un agujero negro que ya no emitiría como pulsar. También parece que las explosiones de tipo Ia que se dan cerca del centro galáctico se dan en mayor medida a partir de enanas blancas más ligeras.
Quizás lo más interesante sea que, si tiene razón, esta materia oscura asimétrica puede ser detectada en la nueva generación de experimentos de detección de materia oscura, como XENON1T en Gran Sasso (Itlia), que se terminará este otoño, o el LUX-ZEPLIN en Dakota del Sur, que empezara a construirse a partir del año que viene.
Si la materia oscura asimétrica existe entonces estos experimentos podrían revelar su existencia y el dilema habría terminado.
Para saber cómo se realizan este tipo de experimentos nada como ver el siguiente corto documental:

Copyleft: atribuir con enlace a http://neofronteras.com/?p=4786

Fuentes y referencias:
Artículo original.
Foto de supernova SN 2014J: W. Zheng and A. Filippenko, UC Berkeley.

Salvo que se exprese lo contrario esta obra está bajo una licencia Creative Commons.
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11 Comentarios

  1. JavierL:

    Tengo una duda, Si las supernovas tipo 1a no explotan a una masa fija ¿se puede considerar las conclusiones de que el espacio esta en expansión cada vez más acelerada como cierto? Entiendo que esas conclusiones se hicieron tomando como base esa candela estándar. ¿O el evento es poco significativo para anular las conclusiones?

  2. lluís:

    – ¿Podría ser que hubiera un error donde dice ” La materia oscura es sólo un 80% más que la ordinaria?. Me parece que un ochenta por ciento es mucho. Y si lo que ahora propone este interesante trabajo es que hubo un proceso de aniquilación y desequilibrio entre materia oscura y su antimateria similar al que le pasó a la materia ordinaria ( visible)ese porcentaje parece demasiado elevado, más si el desequilibrio entre materia ordinaria y oscura parece ser poco significativo; es decir, interpreto que las distintas densidades de materia ordinaria y materia oscura deberían ser parecidas, atendiendo a lo que sugiere este estudio.

  3. Teaius:

    Estimado lluis, yo diría que es muy poco, pienso que tendría que ser un 400% y no un 80%.

    Dicen que el universo consta aproximadamente de un 5% de materia ordinaria, 20% de materia oscura y un 75% de energía oscura.

    Eso es un factor 4, no 1,8. Creo que lo que Neo quiere decir es que la materia oscura constituye el 80% del total la materia, pues 20 es el 80% de 25.

    Por cierto JavierL, buena pregunta, espero a ver que nos cuenta Neo o algún otro comentarista habitual.

  4. Pocosé:

    Sobre la expansión acelerada ya surgió una duda razonable, la vimos aquí; http://neofronteras.com/?p=4698

  5. NeoFronteras:

    Sí, había una errata, ya está corregida.

  6. tomás:

    Querido Neo:
    Con todas las precauciones al caso, yo pienso que en el título se habla de “energía oscura asimétrica” y luego, todo el artículo se refiere a “materia oscura asimétrica”.
    Saludos.

  7. NeoFronteras:

    Un error imperdonable.

  8. tomás:

    ¡Por favor! Un error sí, pero no imperdonable. Fíjate si hubiese sido al revés: título “materia” y texto “enegía”. ¡Ahí sí que hubiera sido gordo!
    Ná, que no ha pasao ná.

  9. lluís:

    – Gracias por tu comentario, teaius. Si lo que quiso decir Neo es que la materia oscura constituye el 80% del total de la materia constituyente del universo, entonces la cosa tiene sentido (sentido en lo que se ha venido diciendo “siempre” respecto de la cantidad de materia oscura existente).
    – De hecho, según lo que he leído en otros sitios que publicaron este mismo trabajo, se dice que la densidad de materia oscura en el Universo, hoy, es solo cinco veces mayor que la materia ordinaria por lo que, en términos cosmológicos, las dos densidad de materia son casi idénticas.
    – Saludos a todos.

  10. tomás:

    En efecto, “lluís”:
    Tiene razón el artículo. Una sencilla operación de lo que se considera admitido me da que el 82 % del total de la materia es oscura. Esa, diferencia del 2 %, con las ignorancias que nos acompañan en estas estimaciones, no es nada significativa.
    Saludos.

  11. Albert:

    Acabo de leer el libro “La materia oscura” de Alberto Casas, editorial RBA.
    Si estáis interesados en el tema os lo recomiendo, es muy ordenado, muy claro y muy interesante, (además de barato, me costó menos de 5 €) saludos.

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