Las Primeras Estrellas Revelan Una Posible Interacción Entre Bariones Y Partículas De Materia Oscura

Las primeras estrellas revelan una posible interacción entre bariones y partículas de materia oscura

a , La temperatura de brillo de transición de 21 cm  T 21  (en milikelvin) en un corte bidimensional (espesor de 3 Mpc) de un volumen simulado del Universo con lados de 384 Mpc (todas las longitudes que se mueven conjuntamente). Consideramos  z  = 17 ( ν  = 78,9 MHz), donde este modelo (con  σ 1  = 8 × 10 −20  cm 2  y masa de partículas de materia oscura  m χ  = 0,3 GeV) alcanza su máxima profundidad de absorción global de 21 cm de – 504 mK (aproximadamente coincidente con el valor 5 observado más probable ). Este modelo astrofísico se basa en una simulación semi-numérica 15 (ver métodos). El patrón de señal espacial de 21 cm está determinado por la velocidad relativa barión-materia oscura que queda de la evolución cósmica temprana antes de la recombinación. b , Distribución de la velocidad relativa barión-materia oscura (en el mismo volumen simulado que el mostrado en  a , asumiendo fluctuaciones de densidad inicial adiabáticas), normalizada por su valor rms de 29 km s −1  a 1 +  z  = 1010. Rennan Barkana, Naturaleza, doi: 10.1038 / nature25791

Un equipo de astrónomos dirigido por el profesor Judd Bowman de la Universidad Estatal de Arizona tropezó inesperadamente con la “materia oscura”, el bloque de construcción más misterioso del espacio exterior, mientras intentaba detectar las primeras estrellas del universo a través de señales de ondas de radio, según un estudio. publicado esta semana en Nature.

La idea de que estas señales implican a la materia oscura se basa en un segundo artículo de Nature publicado esta semana por el profesor Rennan Barkana de la Universidad de Tel Aviv, que sugiere que la señal es una prueba de las interacciones entre la materia normal y la materia oscura en el universo temprano. Según el profesor Barkana, el descubrimiento ofrece la primera prueba directa de que existe materia oscura y de que está compuesta por partículas de baja masa.

La señal, registrada por un nuevo radiotelescopio llamado EDGES, data de 180 millones de años después de la Big Bang .

De que esta hecho el universo

“La materia oscura es la clave para descubrir el misterio de lo que está hecho el universo”, dice el Prof. Barkana, Jefe del Departamento de Astrofísica de la Escuela de Física y Astronomía de TAU. “Sabemos bastante sobre los elementos químicos que componen la tierra, el sol y otras estrellas, pero la mayor parte de la materia del universo es invisible y se conoce como ‘materia oscura’. La existencia de la materia oscura se infiere de su fuerte gravedad, pero no tenemos idea de qué tipo de sustancia es. Por tanto, la materia oscura sigue siendo uno de los mayores misterios de la física.

“Para solucionarlo, debemos viajar en el tiempo. Los astrónomos pueden ver hacia atrás en el tiempo, ya que se necesita un tiempo ligero para llegar a nosotros. Vemos el sol como era hace ocho minutos, mientras que las primeras estrellas inmensamente distantes del universo nos aparecen en la Tierra como si fueran miles de millones de años en el pasado “.

El profesor Bowman y sus colegas informaron de la detección de una señal de onda de radio a una frecuencia de 78 megahercios. El ancho del perfil observado coincide en gran medida con las expectativas, pero también encontraron que tenía una amplitud mayor (correspondiente a una absorción más profunda) de lo previsto, lo que indica que el gas primordial estaba más frío de lo esperado.

El profesor Barkana sugiere que el gas se enfrió mediante la interacción del hidrógeno con la materia oscura fría.

Las estrellas revelan una posible interacción entre bariones y partículas de materia oscura

La temperatura de brillo de 21 cm promediada globalmente  T 21  (en milikelvin) se muestra a una frecuencia observada  ν  (en megahertz), con el valor correspondiente de 1 +  z  mostrado en la parte superior. Nos trazar algunos del espacio de posibles señales de 21 cm (ver Métodos para una discusión de sus formas) utilizando tres modelos (curvas continuas), con:  σ 1  = 8 × 10 -20  cm 2  y  m χ  = 0,3 GeV (rojo ; coincidiendo aproximadamente con el valor 5 observado más probable  del pico de absorción); σ 1  = 3 × 10 -19  cm 2  y  m χ  = 2 GeV (verde); y  σ 1  = 1 × 10 −18  cm 2  y  m χ  = 0.01 GeV (azul). Los parámetros astrofísicos asumidos por estos modelos se dan en Métodos. Las señales correspondientes de 21 cm en ausencia de dispersión de materia oscura bariónica se muestran como curvas de trazos cortos. También se muestra a modo de comparación (línea de trazos largos de color marrón) la predicción estándar para futuras mediciones de la edad oscura suponiendo que no hay dispersión de materia oscura bariónica para  ν  <33 MHz (coincide con todas las curvas de trazos cortos en este rango) y el 21 cm de señal en cada corrimiento al rojo que es posible sin dispersión bariónica de materia oscura, independientemente de los parámetros astrofísicos utilizados (para  ν  > 33 MHz). Rennan Barkana, Naturaleza, doi: 10.1038 / nature25791

“Sintonizando” con el universo temprano

“Me di cuenta de que esta sorprendente señal indica la presencia de dos actores: las primeras estrellas y la materia oscura”, dice el profesor Barkana. “Las primeras estrellas del universo activaron la señal de radio, mientras que la materia oscura chocó con la materia ordinaria y la enfrió. El material extremadamente frío explica naturalmente la fuerte señal de radio “.

Los físicos esperaban que tales partículas de materia oscura fueran pesadas, pero el descubrimiento indica partículas de baja masa. Basado en la señal de radio, el profesor Barkana sostiene que la partícula de materia oscura no es más pesada que varias masas de protones. “Esta información por sí sola tiene el potencial de reorientar la búsqueda de materia oscura”, dice el profesor Barkana.

Una vez que las estrellas se formaron en el universo temprano, se predijo que su luz había penetrado en el gas hidrógeno primordial, alterando su estructura interna. Esto haría que el gas hidrógeno absorbiera fotones del fondo de microondas cósmico, en la longitud de onda específica de 21 cm, imprimiendo una firma en el espectro de radio que debería ser observable hoy en frecuencias de radio por debajo de 200 megahertz. La observación coincide con esta predicción, excepto por la profundidad inesperada de la absorción.

El profesor Barkana predice que la materia oscura produce un patrón muy específico de ondas de radio que se pueden detectar con una gran variedad de antenas de radio. Uno de esos conjuntos es el SKA, el radiotelescopio más grande del mundo, ahora en construcción. “Tal observación con el SKA confirmaría que las primeras estrellas revelaron realmente materia oscura”, concluye el profesor Barkana.

Publicación: Rennan Barkana, “Posible interacción entre bariones y partículas de materia oscura reveladas por las primeras estrellas”, Nature, volumen 555, páginas 71–74 (1 de marzo de 2018) doi: 10.1038 / nature25791

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