Arrojando luz sobre la materia oscura II

Continuamos con nuestro paseo por el mundo de la materia oscura.  En la entrada anterior hemos hablado de las evidencias observacionales que nos conducen a pensar que en las galaxias hay más masa de la que es perceptible por métodos electromagnéticos.  En esta vamos a introducir los principales candidatos teóricos a materia oscura que se han ido barajando.

Que no cunda el pánico, todo puede ser materia normal… o no.

Bueno, antes de arriesgarnos a proponer cosas nuevas por descubrir habrá que preguntarse si es posible que haya materia normal que no radie en forma electromagnética (lo que llamamos en este contexto materia oscura bariónica) y que pueda explicar el exceso de masa que parecen indicar las observaciones en las galaxias.

La solución está en los MACHOS (MAssive  Compact Halos ObjectS, Objetos masivos compactos en el halo galáctico). Estos pueden ser:

– Enanas marrones.  Que serían objetos compactos que no tienen la suficiente masa como para mantener reacciones de fusión y por lo tanto no radían, es una categoría de objetos subestelares.

–  Enanas blancas.  Otro objeto compacto con masas aproximadas alrededor de una masa solar y volumenes comparables al terráqueo.

– Nubes de Hidrógeno.  Son nubes formadas por gas de hidrógeno aisladas y que no tienen capacidad para colapsar y formar estrellas. Entran dentro de la categoría de nubes moleculares galácticas.

–  Estrellas de neutrones.  Objeto compacto muy masivo que debido a su presión hacia el interior ha convertido todos sus protones en neutrones por captura electrónica (en un proceso de radiación beta positiva).

–  Agujeros negros.  Objeto compacto de sobra conocido 🙂

El problema es que somos muy buenos identificando estos objetos en las galaxias y cada día somos mejores (gracias a los potentes telescópios como el Hubble y los radiotelescópios que están funcionando y las nuevas generaciones previstas).  Y los datos que arrojan estos telescopios son los siguientes:

1)  La masa del Halo Galáctico se puede inferir por diversos métodos observacionales como los que comentamos en la entrada anterior.

2)  Las enanas marrones únicamente pueden explicar el 20% de la masa del halo.

3)  Las enanas blancas darían cuenta de menos del 5% de la masa del mismo.

4)  Las nubes de hidrógeno son fácilmente detectables por métodos electromagnéticos.  Si bien ellas mismas no radian si que responden a las emisiones electromagnéticas que las atraviesan dando signos inequívocos de su presencia como espectros de absorción.

5)  Estrellas de neutrones y agujeros negros son objetos muy raros de encontrar en el halo. Estos generalmente se encuentran en las zonas centrales de la galaxia donde la actividad estelar es mayor y se generan estrellas más masivas que en el exterior.  Además es fácil de indentificar donde se está originando una estrella de neutrones o un agujero negro porque generalmente hay emisiones muy potentes asociadas a estos procesos tan violentos.

Por lo tanto, aún tenemos que explicar cerca del 80% de la masa galáctica que no puede ser explicada por materia bariónica aún en sus formas más «oscuras» como las comentadas anteriormente.  En la próxima sección nos entretendremos en hablar de algunas de estas hipotéticas partículas.

El casting de lo exótico

Sabemos lo que tenemos que buscar:

1.- Unas partículas sin carga eléctrica.

2.-  Que tengan poca tendencia a interactuar con el resto de la materia.

La condición 1 es porque evidentemente la materia oscura no tiene efectos electromagnéticos, por lo tanto no puede tener carga.  Y por supuesto no puede interactuar fácilmente porque entonces ya las habríamos detectado hace tiempo.  Así que no pueden ser materia bariónica usual.  Es por esto que los físicos denominan a estas partículas posibles candidatas teóricas a la materia oscura como WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles, particulas masivas de interacción débil).

Dentro del modelo estándar de partículas tenemos un candidato de lujo para materia oscura. A ver, adivinemos:

Partícula del modelo estándar que es neutra e interacciona débilmente

Efectivamente, el tan de moda, neutrino. Pero no nos pongamos contentos, hay ciertos problemillas:

a)  Los neutrinos son partículas relativistas (es decir su velocidad, hasta que se demuestre lo contrario, es cercana a la de la luz).  Esto tiene una importancia vital en cosmología ya que si nuestro universo estuviera dominado por este tipo de partículas no se podrían haber formado estrellas ni galaxias.  Eso va claramente en contra de lo observado.

b)  Para que los neutrinos pudieran explicar la cantidad de materia oscura que necesitamos para entender las discrepancias en los movimientos galácticos y la masa observada en las galaxias tendrían que tener masas del orden de 10 eV. Pero nuestros experimentos y las observaciones del fondo cósmico de microondas ponen cotas a la masa de estos bichos y su masa no puede ser superior a 0.2 eV aproximadamente.

Estas razones prohiben que el neutrino sea el responsable de la materia oscura. Nuestro gozo en un pozo.

Pasemos a presentar posibilidades más exóticas.

Otra vez la supersimetría

Como ya discutimos en la entrada de supercosas la supersimetría nos dice que por cada partícula bosónica (de espín entero) tenemos que encontrar una partícula fermiónica (de espín semientero) asociada y viceversa.  Es decir, cada partícula que vemos tiene que tener lo que se llama un supercompañero. Véase la siguiente figura tomada de New Scientist donde se reflejan las partículas del modelo estándar (recuadradas) y los supercompañeros:

Pero resulta que no vemos esas partículas fácilmente, así que eso significa que a nuestra escala la supersimetría no se presenta (decimos que la simetría está rota) y por tanto los compañeros supersimétricos de las partículas usuales deben de ser muy masivos.  Por eso se espera encontrar dichas partículas en las colisiones de altas energías del LHC.

Los supercompañeros pueden ser una solución al problema de la materia oscura y además darían una prueba, en caso de detectarse, de la existencia de la supersimetría por un método distinto al del LHC.  Los posibles candidatos son:

–  El neutralino que sería una combinación de gluinos, fotinos, winos, zinos y higgisinos.  Esta combinación sería muy masiva y neutra y sólo interactuaría débilmente.

– El sneutrino, el supercompañero del neutrino.

– El gravitino, el supercompañero del gravitón.

De estos tres candidatos tenemos que los sneutrinos tienden a desintegrarse rápidamente, así que a día de hoy no quedarían muchos por ahí para explicar la materia oscura.  Los gravitinos tienen el problema de que de haber grandes cantidades sería incompatibles con la formación de estructuras galácticas.  Así que el único que nos queda es el neutralino.

Dejamos reposar aquí el tema este y volveremos con una discusión de candidatos aún más exóticos, como por ejemplo los axiones, que se merecen una entrada propia aparte.

Nos seguimos leyendo…