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Condensados de materia oscura

Área: Física — viernes, 20 de mayo de 2016

Si la materia oscura está compuesta por bosones entonces esto habría tenido consecuencias sobre la inflación y generado ondas gravitacionales detectables.

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Seguimos sin saber en qué consiste esa materia oscura que constituye más del 70% de la masa del Universo, principalmente porque no hemos sido capaces aún de detectar las partículas que la forman.

Normalmente se asume que las partículas que constituyen esta materia son WIMPs o partículas débilmente interactuantes, pese al problema observacional de la inexistencia de minigalaxias orbitando la nuestra que esta propuesta predice. Debido a esto y a que no se han conseguido detectar directamente dichas partículas, se da alas a los teóricos para que inventen otras posibilidades. Hay muchas propuestas y casi todas exóticas. Una de estas ideas es que la materia oscura estaría compuesta por bosones.

Antes de nada recordemos que el bosón es una clase de partículas que tienen spin entero y que se rigen por la estadística de Bose-Einstein cuando está junto a otros. Los fotones de luz son bosones, lo son las partículas que portan la fuerza débil, los de la fuerza fuerte y los gravitones (si es que existen). El bosón de Higgs es, obviamente, otro bosón. Incluso algunos átomos simples se comportan como bosones. Naturalmente, ninguno de estos bosones conocidos constituiría la materia oscura.

Los bosones tienen una particularidad y es que un grupo de ellos, por muy grande que sea, puede formar “grumos” o condensados de Bose-Einstein de partículas en un mismo estado, un agregado que se comporta como un único objeto cuántico. Esto se debe a que los bosones pueden ocupar todos el mismo estado cuántico a la vez. Son partículas “sociables” a las que no les importa compartir su “espacio vital” con otras de su género.

Si la materia oscura está hecha de algún tipo de bosón (a diferencia de las WIMPs que serían fermiones), en tiempos modernos estas partículas de materia oscura se comportarían de manera similar (a efectos gravitatorios) a los fermiones WIMPs y casi sólo interaccionarían gravitacionalmente con la materia ordinaria. Pero su efecto habría sido importante al poco de darse el Big Bang.

Esto es precisamente lo que ha estudiado Paul Shapiro (University of Texas, Austin) junto a sus colaboradores recientemente. Según ellos los bosones de materia oscura habrían tenido consecuencias sorprendentes en la evolución temprana del Universo y podrían haber provocado efectos que se podrían detectaren la actualidad.

Por otro lado, se cree que el Universo sufrió un periodo de expansión a ritmo exponencial que se denomina inflación. Algunas versiones de la teoría inflacionaria predicen la existencia de ondas gravitacionales de gran tamaño, ondas que habrían dejado una señal en el fondo cósmico de radiación en forma de modos-B de polarización. Esto es precisamente lo que se creyó encontrar con BICEPS-2 en 2013 (en el gráfico de cabecera), pero al final resultó ser un efecto del polvo de nuestra galaxia.

Las ondas gravitacionales existen, ya que ahora, gracias a LIGO, se pueden detectar directamente, aunque en este caso se trate de ondas gravitacionales generadas por otros fenómenos astrofísicos, como la colisión de agujeros negros. Se supone que la detección directa de ondas gravitacionales primordiales es casi imposible porque su longitud de onda es tan larga que el instrumento tendría que ser grandísimo.

Sin embargo, según Shapiro, la materia oscura hecha por bosones cambia este panorama. Estas partículas alteran su comportamiento si nos remontamos en el tiempo a estas fases iniciales del Big Bang y actuarían como radiación en lugar de como materia. En los primeros instantes incluso se comportaría como un fluido y resistiría la compresión. Sería como si el Universo estuviese relleno de un fluido que ofrecería una resistencia al cambio.

Es precisamente esta resistencia de la materia oscura formando un condensado lo que habría sujetado la expansión exponencial de la inflación. Al final de la misma el Universo se expandiría más lentamente con este tipo de materia en su seno que sin ella.

Pero las ondas gravitacionales se habrían propagado a través del Universo de ese tiempo a la misma velocidad que antes. En consecuencia, se mostrarían más y, por tanto, se podrían detectar fácilmente. Según estos investigadores, este tipo de materia oscura habría parado lo suficiente la expansión exponencial de la inflación como para que haya esperanzas de que las ondas gravitacionales primordiales sean visibles para LIGO.

La ventaja de esta idea exótica es que es falsable y, por tanto, científica. Si al final LIGO no detecta este tipo de ondas gravitacionales primordiales entonces la hipótesis puede ir a la papelera.

Copyleft: atribuir con enlace a http://neofronteras.com/?p=4938

Fuentes y referencias:
Artículo original.
Copia del artículo en ArXiv.
Gráfico: BICEP2 Collaboration.

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

  1. lluís:

    – Y si en tiempos modernos estas partículas de materia oscura bosónica se comportasen de manera similar a los fermiones WIMPs, ¿Cómo podrían formar condensados Bose-Einstein, si los fermiones responden a la estadistica Fermi-Dirac? o es que esa “manera similar de comportamiento” no influye para nada.
    – Supongo que esa radiación de los primeros instantes del Big-Bang es una radiación térmica, una radiación térmica comportandose como un fluído también me suena un poco extraño, incluso se podría pensar que el universo al principio fuera como un “cuerpo negro”.
    – Aunque si la idea es falsable, después de todo la idea no sería tan exótica. De todos modos hay quienes opinan que el criterio de falsabilidad no es el único criterio para convertir en científica una hipótesis o una teoría, e incluso dicen que es mejor guiarse por la estadistica (probabilidades) bayesiana.

  2. NeoFronteras:

    Estimado Lluís:
    La similitud en el momento actual emtre las WIMPs y los bosones sería sólo a efectos gravitatorios.

    En cuanto a la idea es especulativa, pero al menos se atreven a hacer una predicción comprobable experimentalmente.

    Sobre la falsabilidad lo ideal se usar el criterio tanto como se pueda y luego dios dirá. Sobre la Estadística, ya se usa la normal y la bayesiana en ciencia, que implican la falsabilidad a todos los efectos.

  3. Tomás:

    La falsabilidad es un criterio necesario, pero no suficiente.

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