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Enciclopedia Universo

Desbloqueando la verdadera naturaleza de la materia oscura con WFIRST

Desbloqueando la verdadera naturaleza de la materia oscura con WFIRST

Arcos de luz azul de aspecto misterioso

Enredados entre las galaxias en esta imagen del Hubble hay arcos misteriosos de luz azul. Estas son en realidad imágenes distorsionadas de galaxias remotas detrás del cúmulo. La gravedad colectiva de toda la materia normal y oscura atrapada dentro del cúmulo deforma el espacio-tiempo y afecta la luz que viaja a través del cúmulo hacia la Tierra. Crédito: NASA, ESA y J. Lotz y el Equipo HFF (STScI)

La verdadera naturaleza de la materia oscura es uno de los mayores misterios del universo. Los científicos están tratando de determinar de qué está hecha exactamente la materia oscura para poder detectarla directamente, pero nuestra comprensión actual tiene tantas lagunas, que es difícil saber exactamente lo que estamos buscando. El Telescopio de Estudio Infrarrojo de Campo Amplio de la NASA (WFIRST) en un observatorio diseñado para desentrañar los secretos de la energía oscura y la materia oscura. Su capacidad para inspeccionar amplias franjas del universo nos ayudará a descubrir de qué podría hacerse la materia oscura explorando la estructura y distribución de la materia y la materia oscura a través del espacio y el tiempo.

¿Por qué la materia oscura es un tema tan desconcertante? Los científicos sospecharon por primera vez su existencia hace más de 80 años cuando el astrónomo suizo-estadounidense Fritz Zwicky observó que las galaxias en el cúmulo de Coma se movían tan rápido que deberían haber sido arrojadas al espacio, sin embargo, permanecieron unidas gravitacionalmente al cúmulo por materia invisible. Luego, en la década de 1970, el astrónomo estadounidense Vera Rubin descubrió el mismo tipo de problema en galaxias espirales individuales. Las estrellas hacia el borde de la galaxia se mueven demasiado rápido para ser retenidas por la materia luminosa de la galaxia: debe haber mucha más materia de la que podemos ver en estas galaxias para mantener las estrellas en órbita. Desde estos descubrimientos, los científicos han estado tratando de armar el rompecabezas usando pistas dispersas.

Incluso si alguien dejara caer una gran cantidad de materia oscura en tu cabeza, probablemente no percibirías nada. No tendrías ningún medio para detectar su presencia: todos tus sentidos son irrelevantes cuando se trata de materia oscura.

Actualmente hay una amplia gama de candidatos a materia oscura. Ni siquiera tenemos una muy buena idea de cuál podría ser la masa de partículas de materia oscura, lo que hace difícil determinar cuál es la mejor manera de buscarlas. Los estudios de campo amplio de WFIRST proporcionarán una visión integral de la distribución de galaxias y cúmulos de galaxias en todo el universo en los estudios de materia oscura más detallados jamás realizados, gracias a los efectos gravitacionales de la materia oscura. Estas encuestas proporcionarán una nueva visión de la naturaleza fundamental de la materia oscura, lo que permitirá a los científicos perfeccionar sus técnicas de búsqueda.

La mayoría de las teorías sobre la naturaleza de las partículas de materia oscura sugieren que casi nunca interactúan con la materia normal. Incluso si alguien dejara caer una gran cantidad de materia oscura en tu cabeza, probablemente no percibirías nada. No tendrías ningún medio para detectar su presencia: todos tus sentidos son irrelevantes cuando se trata de materia oscura. Ni siquiera evitarías que se precipite directamente a través de tu cuerpo y hacia el núcleo de la Tierra.

Esto no sucede con la materia regular, como los gatos o las personas, porque las fuerzas entre los átomos en el suelo y los átomos en nuestros cuerpos nos impiden caer a través de la superficie de la Tierra, pero la materia oscura se comporta de manera extraña. La materia oscura es tan discreta que incluso es invisible para los telescopios que observan el cosmos en formas de luz que nuestros ojos no pueden ver, desde ondas de radio hasta rayos gamma de alta energía.

Materia oscura "lente"

Si la materia oscura es invisible, ¿cómo sabemos que existe? Si bien la materia oscura no interactúa con la materia normal en la mayoría de los casos, sí la afecta gravitacionalmente (que es como se descubrió por primera vez hace décadas), por lo que podemos mapear su presencia al observar cúmulos de galaxias, las estructuras más masivas en el universo.

Aunque la materia normal constituye todo lo que podemos ver, el universo debe contener más de cinco veces la cantidad de materia oscura para adaptarse a las observaciones.

La luz siempre viaja en línea recta, pero el espacio-tiempo, el tejido del universo, está curvado por las concentraciones de masa dentro de él. Entonces, cuando la luz pasa por una masa, su trayectoria también se curva: una línea recta en un espacio curvo. La luz que normalmente pasaría cerca de un cúmulo de galaxias se dobla hacia y alrededor de él, produciendo imágenes intensificadas, y a veces múltiples, de la fuente de fondo. Este proceso, llamado lente gravitacional fuerte, transforma los cúmulos de galaxias en colosales telescopios naturales que nos permiten vislumbrar objetos cósmicos distantes que normalmente serían demasiado débiles para ser visibles.

Coma Galaxy Cluster

Como más materia conduce a efectos de lentes más fuertes, las observaciones de lentes gravitacionales proporcionan una forma de determinar la ubicación y la cantidad de materia en los cúmulos de galaxias. Los científicos han descubierto que toda la materia visible que vemos en los cúmulos de galaxias no es suficiente para crear los efectos de deformación observados. La materia oscura proporciona el exceso de gravedad.

Los científicos han confirmado observaciones anteriores midiendo cuánta materia en el universo primitivo es "normal" y cuánta es "oscura" utilizando experimentos como la sonda de anisotropía de microondas Wilkinson de la NASA (WMAP). Aunque la materia normal constituye todo lo que podemos ver, el universo debe contener más de cinco veces la cantidad de materia oscura para adaptarse a las observaciones.

WFIRST se basará en estudios previos de materia oscura mediante el uso de lentes gravitacionales débiles que rastrean cómo grupos más pequeños de materia oscura deforman las formas aparentes de galaxias más distantes. Observar los efectos de lentes en esta escala más refinada permitirá a los científicos llenar más de los vacíos en nuestra comprensión de la materia oscura.

La misión medirá las ubicaciones y cantidades de materia normal y materia oscura en cientos de millones de galaxias. A lo largo de la historia cósmica, la materia oscura ha impulsado cómo se formaron y evolucionaron las estrellas y galaxias. Si la materia oscura consta de partículas pesadas y lentas, se agruparía fácilmente y WFIRST debería ver la formación de galaxias al principio de la historia cósmica. Si la materia oscura está compuesta de partículas más ligeras y de movimiento más rápido, debería llevar más tiempo asentarse en grupos y desarrollar estructuras a gran escala.

Los estudios de lentes gravitacionales de WFIRST nos permitirán mirar atrás en el tiempo para rastrear cómo se formaron las galaxias y los cúmulos de galaxias bajo la influencia de la materia oscura. Si los astrónomos pueden reducir los candidatos para partículas de materia oscura, estaremos un paso más cerca de finalmente detectarlos directamente en experimentos en la Tierra.