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10/9/16 - DJ:

Nuevos límites a la materia oscura con el Hubble

T.E.L: 6 min.

En un reciente artículo, científicos de los Observatorios de París y Roma desarrollaron nuevos métodos para restringir la naturaleza de la materia oscura usando observaciones de galaxias distantes obtenidas con el Hubble.




Las palabras "restricciones" y "limitaciones" pueden tener matices negativos en la semiosis social. Pero desde el punto de vista científico, pueden ser muy valiosas. Si se produce un ruido en mi casa y no sé de dónde proviene, puedo imaginar que hay múltiples posibilidades. Al descartar algunas de esas posibilidades, estaría "restringiendo" la causa, acercándome de ese modo a la resolución de un enigma.

Veamos en este caso cómo se vienen restringiendo las posibilidades sobre la materia oscura y cómo esos procesos científicos podrían en poco tiempo acercarnos a la resolución de un misterio.

Desde que Vera Rubin detectó que en ciertas galaxias las estrellas se movían de forma algo diferente a como surgía de la teoría (de Newton), una hipótesis ha sido que en esas galaxias había algo que no se observaba. Desde entonces, la idea de materia oscura ha tenido cada vez mayor "peso", al punto de considerar que sin esa materia oscura no existirían las galaxias.

Los cúmulos de galaxias son uno de los objetos masivos observados especialmente con el Telescopio Espacial Hubble en lo que se conoce como "Campos Profundos". Repasemos esta idea que hoy consideramos genial: observar durante varias jornadas un lugar del cielo en el que aparentemente no había nada. Con largas exposiciones, allí donde no parecía haber nada, descubrimos que había mucho. Objetos muy difusos, muy poco brillantes porque son objetos muy, muy lejanos.

Otro descubrimiento brillante (que le debemos a Einstein) son las lentes gravitacionales. La fuerza de gravedad de los cúmulos de galaxia distorsiona y magnifica la luz de galaxias más lejanas. Quizás con el próximo telescopio James Webb eso mismo se pueda hacer todavía mejor.

Gracias al poder del instrumento y de la teoría, la fuerza de gravedad tan potente de los masivos cúmulos de galaxias permiten observar objetos mucho más distantes y difusos, lo que a su vez permite conocer densidad, número y distribución de galaxias primitivas, el universo más temprano.

Hasta ahora parece que la materia oscura forma la mayor parte de la masa del universo. Es diferente de la materia ordinaria formada por átomos y se manifiesta principalmente a través de la gravedad. Tanto la materia oscura como la gravedad juegan entonces roles decisivos en la formación y estructura de las galaxias.

Recientemente, observaciones de campo profundo del cúmulo Abell 2744 y del cúmulo 0416 MACS fueron usadas para estudiar galaxias distantes con magnitudes muy bajas en épocas entre 600 millones y 900 millones de años después del Big Bang (lo que corresponde a corrimientos al rojo cosmológico, z, de entre 10 y 6). Tales mediciones proveen restricciones sobre los estadíos de evolución del universo, sobre la formación estelar y sobre los procesos que involucran a materia ordinaria en las galaxias lejanas.

Fig. 2: Campos profundo y Ultra profundo de Hubble.

Sin embargo, el poder de esas observaciones para restringir la naturaleza de la materia oscura no había sido usada antes. Esa fue la tarea que lograron recientemente científicos de una colaboración entre el Observatorio de Roma y el Observatorio de París. El equipo mostró que esas observaciones brindan una oportunidad sin precedentes para obtener robustas limitaciones en las masas de las partículas de materia oscura. Usando esos datos, el equipo combinó su conocimiento en teoría y habilidades en cálculos numéricos para restringir y discriminar candidatos de materia oscura independientemente de los procesos que involucran la formación de galaxias con materia ordinaria.
Comparando las predicciones computadas por el equipo con la abundancia observada de galaxias ultra-difusas se obtuvieron limitaciones muy estrictas.

Materia oscura y neutrinos "estériles"
En particular, la mayor densidad de galaxias observadas con z=6 (900 millones de años después del Big Bang) tiene un muy importante impacto en los modelos de formación de galaxias para partículas candidatas de materia oscura con masas del orden de miles de electrón voltios (un kilo electrón voltio, keV, correspondiente a 10-36gr. En comparación, un electrón tiene una masa de 511 keV).
La materia oscura compuesta por partículas con masas del orden de keV se llama "cálida" ("warm", en inglés) en oposición a la llamada materia oscura fría en la que las partículas son más pesadas y más lentas. (Consideremos que el concepto de temperatura está dado por la velocidad media de las partículas o moléculas en un medio)

Las partículas candidatas para la materia oscura cálida más estudiadas son los hipotéticos neutrinos "estériles". El término "estéril" es usado para distinguirlos del conocido neutrino activo del Modelo Estándar de partículas elementales que posee una carga eléctrica e interactúa por la fuerza débil. Los neutrinos estériles no interactúan (o su interacción es insignificante) con las partículas del Modelo Estándar, sólo lo hacen a través de la gravedad y pueden decaer a través del usual mecanismo cuántico en neutrinos activos.

La masa de las partículas de materia oscura determina el espectro inicial de la densidad de estructuras. Por eso, los espectros diferentes son nombrados de acuerdo a la masa de las partículas.

Las curvas muestran la densidad máxima de galaxias (eje vertical) calculada para diferentes valores de masa m de partículas de materia oscura mostradas en diferentes colores y como una función de los diferentes tiempos (en el eje horizontal con los distintos corrimientos al rojo, z). Esas abundancias son comparadas con las observaciones para obtener restricciones sobre la masa m de partículas de materia oscura, siendo la mayor restricción la obtenida en este paper con las recientes observaciones a z=6, indicada con el mayor círculo negro. Los otros círculos indican límites previos.

Al comparar la abundancia medida de galaxias con la abundancia calculada permite distinguir los candidatos de materia oscura: el modelo de materia cálida es uno de los que posee mejor correspondencia con las observaciones y el equipo encontró que el límite inferior para la masa de partículas de referencia es entre m=2,1 keV (para tres niveles de confianza) y 2,4 keV (para dos niveles de confianza). Estas restricciones, a su vez, se trasladan a la masa de candidatos de neutrinos estériles.

Las limitaciones correspondientes para la masa de neutrinos estériles dependen de los mecanismos de producción de esos neutrinos, y en todos los casos estudiados, para los mecanismos mejor conocidos, esas limitaciones ponen la masa de esas partículas en un intervalo entre 6keV y 10 keV.

En el futuro estos resultados podrían ser mejorados a través de mejor estadística en los campos profundos de Hubble (pasando de las 167 galaxias en este estudio a 450 galaxias con z ~ 6). Estos resultados pueden ser también combinados con observaciones de cúmulos de galaxias en el dominio de rayos-X y preparan el camino para lo que podría ser revelado con el sucesor del Hubble, el telescopio James Webb cuyo lanzamiento esperado sería en 2018.

Evolución de los telescopios: En el eje x el corrimiento al rojo (z) y el tiempo pasado desde el Big Bang.


Una nueva medalla, en honor a Héctor de Vega
La Dra. Norma Sánchez informa que en honor a Héctor de Vega se acuñó una medalla con el retrato del recientemente desaparecido físico, bajo el lema "El científico y la persona humana. Ciencia con gran exigencia intelectual y una rostro humano".

Un lado de la medalla muestra el nombre, fechas y el retrato artístico de Héctor de Vega inspirado por una fotografía tomada por Nadia Charbit Blumenfeld. En el reverso se incluye el texto "El gentilhombre de la ciencia. Físico teórico. Reconocimiento de la Escuela Chalonge".

En 2016 se viene realizando un año en su honor.
El 26 de marzo - en la sesión "Últimas noticias del Universo"- el reconocimiento con la primera medalla fue para Dra. Alba Zanini, INFN Turín.

La segunda medalla se entregó el 19 de mayo a Dra. Nadia CHARBIT BLUMENFELD; la tercera (el 15 de junio) a Professor Peter L.BIERMANN (Max-Planck Institute -Bonn and University of Alabama-Tuscaloosa, astrophysicist, Chalonge Medal).

Luego, entre el 20-22 de julio el reconocimiento fue para Profesor Gerard F. GILMORE (Institute of Astronomy, University of Cambridge, Fellow of the Royal Society UK, Chalonge Medal) y Profesor Anthony LASENBY(Cavendish Laboratory-Astrophysics and Cosmology, University of Cambridge, UK, Chalonge Medal).


Más sobre Héctor de Vega en
http://chalonge.obspm.fr/HdeV.html




Fuentes y enlaces relacionados
A Stringent Limit on the Warm Dark Matter Particle Masses from the Abundance of z=6 Galaxies in the Hubble Frontier Fields
N. Menci, A. Grazian, M. Castellano, N. G. Sanchez.
The Astrophysical Journal Letters, Volume 825, Issue 1, article id. L1, pp. (2016).
arXiv:1606.02530 [astro-ph.CO]
http://arxiv.org/abs/1606.02530
DOI: 10.3847/2041-8205/825/1/L1

Constraining the Warm Dark Matter Particle Mass through Ultra-deep UV Luminosity
Functions at z=2
N. Menci, N.G. Sanchez, M. Castellano, A. Grazian,
The Astrophysical Journal 818, 90 (2016)
arXiv:1601.01820 [astro-ph.CO]
http://arxiv.org/abs/1601.01820
DOI: 10.3847/0004-637X/818/1/90

Sobre las imágenes
Fig. 1: Imagen de campo profundo de Hubble del masivo cúmulo de galaxias Abell 2744.
Crédito: NASA/ESA
http://www.nasa.gov/content/hubble-frontier-field-abell-2744

Fig. 2:
Campos profundo y Ultra profundo de Hubble
por NASA.gov [Public domain], via Wikimedia Commons
https://en.wikipedia.org/wiki/Hubble_Deep_Field

Fig. 3:
Evolución de los telescopios
http://www.nasa.gov/mission_pages/hubble/science/farthest-galaxy.html

Fig. 4: Crédito: N. Menci et al (2016)

Fig. 5: Foto de Medalla. Chalonge School.


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