Físicos teorizan que la materia oscura es un superfluido

Materia Oscura. Markos kay/Quanta Magazine

Los físicos se han esforzado por comprender la materia oscura —el material invisible que constituye la mayor parte del universo—durante décadas. En el modelo cosmológico estándar, esta sustancia misteriosa es un medio frío, finamente disperso compuesto de partículas que interactúan débilmente, que se consideran "colisiones" ya que apenas interactúan entre sí, o no interactúan en absoluto. Además, en este modelo, la materia oscura evita que las galaxias más externas dentro de los cúmulos de galaxias eludan el agarre de la gravedad y se desvíen al espacio distante, o que se rompan.

 

Se cree que la materia oscura crea un halo esférico (representado en azul) que delinea las galaxias. Justin Khoury, profesor en el Departamento de Física y Astronomía, ha postulado una nueva teoría que podría cambiar la forma en que los físicos piensan sobre la materia oscura. (Imagen cortesía de ESO / L. Calçada)

Sin embargo, una nueva teoría propuesta por el físico Justin Khoury , profesor de la Escuela de Artes y Ciencias , y su ex investigador postdoctoral Lasha Berezhiani, ahora en el Instituto Max Planck de Física, podría sacudir la forma en que los científicos consideran la materia oscura. Su hipótesis de que la materia oscura es un líquido tiene el potencial de explicar los misterios cosmológicos que anteriormente han eludido a los investigadores. Los hallazgos han sido publicados en Journal of Cosmology y Astroparticle Physics.

Como principio teórico, la representación estándar de la materia oscura funciona bien para explicar observaciones cosmológicas a gran escala, como la retención gravitacional de galaxias externas dentro de un cúmulo de galaxias, pero surgen problemas cuando se aplican a misterios de menor escala en el universo, como las curvas de rotación de galaxias individuales.

Una curva de rotación traza las velocidades orbitales de los objetos en relación con su distancia desde una masa central. En un sistema solar, los objetos giran alrededor de la masa concentrada en el centro del sistema y, según la segunda ley de movimiento planetario de Kepler, la velocidad de rotación de los objetos disminuye a medida que se alejan del centro.

Justin Khoury del Departamento de Física y Astronomía de la Universidad de Pensilvania

Las curvas de rotación de galaxia son inusuales. Los objetos alejados del centro galáctico orbitan a una velocidad independiente de su distancia del centro, en lugar de la velocidad decreciente que se espera de la segunda ley de Kepler. Debido a que la velocidad se vuelve constante en lugar de decreciente, este comportamiento generalmente se interpreta como evidencia de la materia oscura. Alternativamente, los físicos a veces recurren a modificar la ley de fuerza gravitacional de Newton para explicar estas observaciones galácticas.

Khoury y Berezhiani se acercan a esto de manera diferente. Su teoría sugiere que la materia oscura en las galaxias se comporta como un tipo especial de fluido, conocido como superfluido, que carece de viscosidad y fluye indefinidamente cuando se agita. En este enfoque, las excitaciones del superfluido dan como resultado una nueva fuerza de largo alcance, además de la fuerza gravitacional habitual, de tal manera que explica el comportamiento inesperado visto en las galaxias. Mientras tanto, en la gran escala de los cúmulos de galaxias, según su teoría, la materia oscura se comporta como en el modelo convencional.

Incluso a las temperaturas cero absolutas que se encuentran en el espacio, un superfluido sigue siendo un líquido que fluye suavemente, y sus partículas individuales se comportan como una entidad colectiva. Para que algo llegue a un estado superfluido, además de estar expuesto a temperaturas extremadamente bajas, el fluido necesita tener átomos densamente empaquetados.

Esta imagen, tomada por el Telescopio Espacial Hubble, sugiere que un anillo de materia oscura abarca el centro del cúmulo de galaxias CL0024+17. La investigación de Khoury propone que la materia oscura funciona dentro del modelo convencional en la gran escala de cúmulos de galaxias, pero que, dentro de la escala de galaxias individuales, los superfluidos causan un comportamiento inusual. Crédito de la imagen: NASA, ESA, MJ Jee y H. Ford et al. (Universidad Johns Hopkins)

"Un superfluido es un tipo de fluido muy interesante", dice Khoury. "La mayoría de las sustancias que encontramos en el laboratorio forman un sólido cuando se enfrían a una temperatura lo suficientemente baja. Pero un cierto conjunto de sustancias, como el helio líquido, permanece líquido hasta la temperatura cero absoluta. El principio de incertidumbre de la mecánica cuántica prohíbe a estos átomos organizarse en una estructura cristalina, y en su lugar permanecen fluidos, pero es un tipo muy peculiar de fluido. Fluye sin viscosidad, no tiene entropía y tiene muchos otros comportamientos extraños ".

Para trabajos anteriores en esta área, Khoury y Berezhiani recibieron el Premio Buchalter de Cosmología 2017, y los investigadores han continuado explorando el tema. Recibir el premio, dice Khoury, fue un honor, premiando nuevas ideas innovadoras en el campo de la cosmología que con suerte llenarán las lagunas en la comprensión actual del universo.

Mientras que los investigadores pueden calcular la densidad de la cantidad total de materia oscura en el universo, nadie ha determinado la masa de una partícula individual. Pero se sabe que para crear un superfluido en la Tierra, los científicos mezclan partículas, como las partículas de helio líquido, para crear materia extremadamente densa y luego enfriar rápidamente la materia casi al cero absoluto. Esto es un buen augurio para la teoría de los superfluidos, ya que la atracción gravitatoria de una galaxia crea el estrujamiento. El principal paradigma de la materia oscura ya sugiere que es extremadamente fría, lo que indica que la materia oscura podría ser un superfluido viable en ciertos estados.

"Lo que descubrimos, en esencia, fue una analogía", dice Khoury. "Si nos fijamos en los tipos de teorías que la gente utilizó para explicar estas observaciones galácticas usando la gravedad modificada, esas ecuaciones toman la misma forma que las de un superfluido. Nos dimos cuenta de que, si la materia oscura era este tipo particular de superfluido, entonces podrías explicar ambos conjuntos de observaciones, la gran escala y la pequeña escala ".

Fuente: University of Pennsylvania,