Materia oscura fría

En cosmología y física, la materia oscura fría (CDM) es un tipo hipotético de materia oscura. De acuerdo con el modelo estándar actual de cosmología, el modelo Lambda-CDM, aproximadamente el 27 % del universo es materia oscura y el 68 % es energía oscura, siendo solo una pequeña fracción la materia bariónica ordinaria que compone estrellas, planetas y organismos vivos. Frío se refiere al hecho de que la materia oscura se mueve lentamente en comparación con la velocidad de la luz, lo que le da una ecuación de estado que se desvanece. Oscuro indica que interactúa muy débilmente con la materia ordinaria y la radiación electromagnética. Los candidatos propuestos para CDM incluyen partículas masivas de interacción débil, agujeros negros primordiales y axiones.

Historia

La teoría de la materia oscura fría fue publicada originalmente en 1982 por James Peebles; mientras que la imagen de la materia oscura cálida fue propuesta de forma independiente al mismo tiempo por J. Richard Bond, Alex Szalay y Michael Turner; y George Blumenthal, H. Pagels y Joel Primack. Un artículo de revisión en 1984 por Blumenthal, Sandra Moore Faber, Primack y Martin Rees desarrolló los detalles de la teoría.

Formación de estructuras

En la teoría de la materia oscura fría, la estructura crece jerárquicamente, con objetos pequeños colapsando primero bajo su propia gravedad y fusionándose en una jerarquía continua para formar objetos más grandes y masivos. Las predicciones del paradigma de la materia oscura fría concuerdan en general con las observaciones de la estructura cosmológica a gran escala.

En el paradigma de la materia oscura caliente, popular a principios de la década de 1980 y menos ahora, la estructura no se forma jerárquicamente (de abajo hacia arriba), sino que se forma por fragmentación (de arriba hacia abajo), con los supercúmulos más grandes formándose primero en láminas planas parecidas a panqueques y posteriormente fragmentándose en piezas más pequeñas como nuestra galaxia, la Vía Láctea.

Desde finales de la década de 1980 o 1990, la mayoría de los cosmólogos favorecen la teoría de la materia oscura fría (específicamente el modelo Lambda-CDM moderno) como una descripción de cómo el universo pasó de un estado inicial suave en los primeros tiempos (como lo muestra el microondas cósmico radiación de fondo) hasta la distribución grumosa de galaxias y sus cúmulos que vemos hoy: la estructura a gran escala del universo. Las galaxias enanas son cruciales para esta teoría, ya que fueron creadas por fluctuaciones de densidad a pequeña escala en el universo primitivo; ahora se han convertido en bloques de construcción naturales que forman estructuras más grandes.

Composición

La materia oscura se detecta a través de sus interacciones gravitatorias con la materia ordinaria y la radiación. Como tal, es muy difícil determinar cuáles son los constituyentes de la materia oscura fría. Los candidatos se dividen aproximadamente en tres categorías:

• Axions, partículas muy ligeras con un tipo específico de autointeracción que los convierte en un candidato adecuado del MDL. En los últimos años, las axiciones se han convertido en uno de los candidatos más prometedores para la materia oscura. Las axiones tienen la ventaja teórica de que su existencia resuelve el fuerte problema CP en la cromodinámica cuántica, pero las partículas de axión sólo han sido teorizadas y nunca detectadas. Los ejes son un ejemplo de una categoría más general de partícula llamada WISP (que interactúa débilmente con partículas "delgadas" o "delgadas"), que son los contrapartes de baja masa de WIMPs.

• Objetos de halo compactos masivos (MACHOs), objetos grandes y condensados como agujeros negros, estrellas de neutrones, enanos blancos, estrellas muy débiles o objetos no exuberantes como planetas. La búsqueda de estos objetos consiste en el uso de lentes gravitacionales para detectar los efectos de estos objetos en las galaxias de fondo. La mayoría de los expertos creen que las limitaciones de esos registros descartan las MACHO como un candidato viable de materia oscura.

• Interaccionar débilmente partículas masivas (WIMPs). Actualmente no hay partículas conocidas con las propiedades requeridas, pero muchas extensiones del modelo estándar de la física de partículas predicen tales partículas. La búsqueda de WIMPs implica intentos de detección directa por detectores altamente sensibles, así como intentos de producción de WIMPs por aceleradores de partículas. Históricamente, los WIMP fueron considerados como uno de los candidatos más prometedores para la composición de la materia oscura, pero en los últimos años los WIMP han sido suplantados por axiones con la no detección de los WIMP en experimentos. El experimento DAMA/NaI y su sucesor DAMA/LIBRA han afirmado haber detectado directamente partículas de materia oscura que pasan por la Tierra, pero muchos científicos siguen siendo escépticos porque ningún resultado de experimentos similares parece compatible con los resultados del DAMA.

Desafíos

Han surgido varias discrepancias entre las predicciones de materia oscura fría en el modelo ΛCDM y las observaciones de galaxias y su agrupación. Algunos de estos problemas tienen soluciones propuestas, pero no está claro si se pueden resolver sin abandonar el modelo ΛCDM.

Problema del halo Cuspy

Las distribuciones de densidad de los halos de materia oscura en las simulaciones de materia oscura fría (al menos aquellas que no incluyen el impacto de la retroalimentación bariónica) tienen un pico mucho mayor que lo que se observa en las galaxias al investigar sus curvas de rotación.

Problema de galaxias enanas

Las simulaciones de materia oscura fría predicen grandes cantidades de pequeños halos de materia oscura, más numerosas que la cantidad de pequeñas galaxias enanas que se observan alrededor de galaxias como la Vía Láctea.

Problema de disco satelital

Se observa que las galaxias enanas alrededor de las galaxias de la Vía Láctea y Andrómeda orbitan en estructuras planas delgadas, mientras que las simulaciones predicen que deberían estar distribuidas al azar alrededor de sus galaxias madre.

Problema de galaxias de alta velocidad

Las galaxias en la asociación NGC 3109 se están alejando demasiado rápido para ser consistentes con las expectativas en el modelo ΛCDM. En este marco, NGC 3109 es demasiado masiva y está demasiado lejos del Grupo Local para haber sido arrojada en una interacción de tres cuerpos que involucre a la Vía Láctea o la Galaxia de Andrómeda.

Problema de morfología de galaxias

Si las galaxias crecieron jerárquicamente, entonces las galaxias masivas requirieron muchas fusiones. Las grandes fusiones inevitablemente crean un abultamiento clásico. Por el contrario, alrededor del 80% de las galaxias observadas no dan evidencia de tales protuberancias, y las galaxias gigantes de disco puro son comunes. La tensión se puede cuantificar comparando la distribución observada de formas de galaxias hoy con predicciones de simulaciones cosmológicas hidrodinámicas de alta resolución en el marco ΛCDM, lo que revela un problema muy importante que es poco probable que se resuelva mejorando la resolución de las simulaciones. La fracción alta sin protuberancia fue casi constante durante 8 000 millones de años.

Problema de barra de galaxia rápida

Si las galaxias estuvieran incrustadas dentro de halos masivos de materia oscura fría, las barras que a menudo se desarrollan en sus regiones centrales serían más lentas por la fricción dinámica con el halo. Esto está en seria tensión con el hecho de que las barras de galaxias observadas suelen ser rápidas.

Crisis a pequeña escala

La comparación del modelo con las observaciones puede tener algunos problemas en escalas subgalaxicas, posiblemente prediciendo demasiadas galaxias enanas y demasiada materia oscura en las regiones más internas de las galaxias. Este problema se denomina "crisis a pequeña escala". Estas escalas pequeñas son más difíciles de resolver en simulaciones por computadora, por lo que aún no está claro si el problema son las simulaciones, las propiedades no estándar de la materia oscura o un error más radical en el modelo.

Galaxias con alto corrimiento al rojo

Las observaciones del telescopio espacial James Webb han dado como resultado varias galaxias confirmadas por espectroscopia con un alto desplazamiento al rojo, como JADES-GS-z13-0 con un desplazamiento al rojo cosmológico de 13,2. Otras galaxias candidatas que no han sido confirmadas por espectroscopia incluyen CEERS-93316 con un corrimiento al rojo cosmológico de 16,7. Una tasa tan alta de formación de galaxias grandes en el universo temprano parece contradecir las tasas de formación de galaxias permitidas en el modelo Lambda CDM existente a través de halos de materia oscura, incluso si la formación de galaxias fuera 100% eficiente y se permitiera que toda la masa se convirtiera en estrellas. en Lambda CDM, no sería suficiente para crear galaxias tan grandes.