El problema de la materia oscura está cada día más oscuro

El problema de la materia oscura, qué es el 80% de la materia del universo, parece cada día más difícil de resolver. Muchos experimentos ofrecen resultados contradictorios entre sí, unos apuntando a partículas ligeras y otros a partículas pesadas. Las noticias aparecidas en las dos últimas semanas son un buen ejemplo de la situación actual. Un repaso nos muestra la dificultad del problema en toda su crudeza. Nos lo regala Eugenie Samuel Reich, “Dark matter results spark debate. Competing experiments present a puzzling picture, as seen through Storify,” Nature News Blog, 02 Dec. 2011. Te recomiendo su lectura. Permíteme una traducción y resumen con algunas figuras.

Fermi y PAMELA. Fermi, el telescopio espacial de rayos gamma de la NASA ha observado una señal de rayos gamma compatible con un exceso de positrones (la antipartícula del electrón) en los rayos cósmicos. PAMELA, el satélite de rayos cósmicos europeo observó en 2008 un exceso de positrones en los rayos cósmicos. Por tanto, Fermi confirma la observación de PAMELA. Los físicos de PAMELA creen que su exceso de positrones es debido a la aniquilación de la materia oscura del halo galáctico de la Vía Láctea, en concreto, el espectro de energía observado apunta a una partícula tipo WIMP con una masa de unos 100 GeV. Sin embargo, las observaciones de Fermi presentan un espectro de energía que alcanza hasta 200 GeV, mucho más allá de los 100 GeV e incompatible con los modelos actuales para la materia oscura del halo galáctico. O bien estos modelos están equivocados, o bien Fermi desmiente la interpretación de PAMELA y el exceso de positrones tiene un origen diferente a la materia oscura. AMS-02, el espectrómetro magnético Alfa instalado en la Estación Espacial Internacional tendrá que observar este exceso de positrones y podrá medir su espectro con mayor precisión que PAMELA y Fermi; quizás gracias a esa medida se logreen Los interesados en el artículo técnico disfrutarán de The Fermi LAT Collaboration, “Measurement of separate cosmic-ray electron and positron spectra with the Fermi Large Area Telescope,” ArXiv, 2 Sep. 2011 (la figura de arriba es de este artículo). Más información en la traducción de Kanijo, “Confirmado el exceso de antimateria cósmica,” Ciencia Kanija 24 Nov. 2011 [artículo original en inglés].

PAMELA y Fermi. La confrontación de los resultados de Fermi con los modelos de materia oscura galáctica ha llevado a redefinir estos modelos y dos artículos apuntan a que es posible que la partícula responsable de la materia oscura del halo galáctico tenga una masa mayor de 100 GeV, incluso hasta 240 GeV. Si se confirmara este resultado, Fermi podría haber observado materia oscura compatible con PAMELA. Nos lo contó Lisa Grossman, “Dark matter particles may be heavyweights after all,” NewScientist, 29 Nov. 2011, que se hizo eco de The Fermi-LAT Collaboration, “Constraining dark matter models from a combined analysis of Milky Way satellites with the Fermi-LAT,” ArXiv, 17 Aug 2011, y Alex Geringer-Sameth and Savvas M. Koushiappas, “Exclusion of canonical WIMPs by the joint analysis of Milky Way dwarfs with Fermi,” ArXiv, 15 Aug 2011

ARCADE 2. El radiómetro de ARCADE 2, que se eleva a la alta atmósfera gracias a globos sonda, observó en 2009 señales entre 3 y 90 GHz cuyo origen astrofísico no estaba claro. Un nuevo artículo ha reinterpretado estos datos como señales de la aniquilación de partículas WIMP de materia oscura con una masa entre 10 y 20 GeV. Una partícula de materia oscura con una masa tan baja también ha sido sugerida por agunos experimentos, aunque la mayoría de los expertos prefiere una partícula más masiva. Nos lo contó Jon Cartwright, “Radio-wave excess could point to dark matter,” Physics World, Dec. 1, 2011, siendo el artículo técnico N. Fornengo et al., “A dark matter interpretation for the ARCADE excess?,” ArXiv, 2 Aug 2011

XENON 100 y CoGENT.  El abril, XENON-100 descartó la posibilidad de que la materia oscura estuviera formada por partículas de masa muy baja, como observaron otros experimentos como CoGENT.  Estos últimos (su director Juan Collar) atacaron los resultados de XENON 100 afirmando que no tenían sensibilidad suficiente para descartar este tipo de partículas (algunos hablaron del ataque de la “inquisición española”). Obviamente, desde XENON 100 se contraatacó contra CoGENT afirmando que quien carecía de sensibilidad eran ellos y que la señal periódica de partículas WIMP que habían observado era debida al movimiento de la Tierra. Un toma y daca poco elegante entre colaboraciones que deberían colaborar entre sí y no criticarse. Nos contaron este toma y daca Eugenie Samuel Reich, “Dark matter no-show confronts supersymmetry. The XENON100 experiment has placed the tightest limits yet on the properties of dark matter,” Nature News 14 Apr. 2011; Eugenie Samuel Reich, “Dark matter signal to be tested within months,” Nature News, June 09, 2011; Eugenie Samuel Reich, “Dark matter claim draws scrutiny,” Nature News, June 30, 2011, y Yudhijit Bhattacharjee, “Possible Sighting of Dark Matter Fires Up Search and Tempers,” Science, June 3, 2011. Por cierto, este último artículo comparaba al director de CoGENT (profesor de la Universidad de Chicago) con un torero: “It’s not hard to imagine Juan Collar as a matador. He is Spanish, for one thing, and he certainly seems to relish waving a red flag in front of his rivals. Collar’s arena doesn’t involve charging bulls or flashing swords, however.”

CoGENT, CRESS II y DAMA/LIBRA. En septiembre los resultados de CRESS II apuntaron a una partícula WIMP con una masa entre 10 y 50 GeV, un rango compatible con las observaciones de CoGENT y DAMA/LIBRA. Los dos experimentos de Gran Sasso, en Italia, CRESS II y DAMA/LIBRA, se apoyaron mutuamente en la polémica contra XENON 100 porque ambos observaron una señal periódica similar, se observan más señales de WIMPs en verano que en invierno, lo que se supone que tiene su origen en el movimiento de la Tierra a través del halo galáctico de materia oscura. Nos lo contó Ron Cowen, “Shedding light on the mystery of dark matter,” Nature News, 13 Sep. 2011.

En resumen, algunos experimentos apuntan a partículas WIMP de gran masa, otros a WIMP de masa baja, y el problema de la materia oscura cada día se ve más oscuro. Lo que hay que tener claro para no perderse en este asunto es que estamos en “la década de la materia oscura,” cuando se aclarará este asunto porque hay gran número de experimentos en curso, pero mientras tanto seguirá viva la “guerra de cifras sobre la masa de las partículas WIMP de materia oscura.” Muchas de las señales que estamos observando ahora no serán debidas a la materia oscura, pero cuáles sí lo serán no lo sabremos hasta dentro de un par de lustros (como muy tarde).

11 pensamientos en “El problema de la materia oscura está cada día más oscuro

  1. Solo una pequeña corrección numérica: la así llamada materia oscura, “dark matter”, está estimada en ser un componente del orden del 24% digamos del universo. Está nuestra materia de ver y tocar, bariones, que sólo tiene un 4% de contenido (el universo “visible”). El resto es la energía oscura, “dark energy” (que oscuro está todo esto) que se supone que ocupa el resto, un 72%. Entonces el balance en este momento es de 4% de ver y tocar, y el resto (24 + 72 &) o sea un 96% de no se sabe qué, oscuro porque no se sabe qué interacción tiene con los bariones, y por si fuera poco no sabemos de qué están compuestas, auque sí sabemos que no son bariones.

    • Antonio,

      Hace unos días al leer el trabajo premiado en CPAN, ‘el enigma oscuro’ (Begoña Ascaso Anglés y Rosalía Cid Barreno), me surgió una duda preocupante:

      https://francisthemulenews.wordpress.com/2011/11/04/blog-ganador-del-ii-concurso-de-divulgacion-cpan/#comment-13188

      No voy a repetir lo que allá indiqué .

      Pero si la duda que me surgió:

      “QUE CASUALIDAD QUE LA MATERIA OSCURA, SEA LO QUE SEA, TIENE JUSTAMENTE EN CADA GALAXIA LA DISTRIBUCIÓN RADIAL DE MASA DE TAL MODO QUE HACE QUE TODAS LAS ESTRELLAS DE ESA GALAXIA, SIN IMPORTAR MASA ESTELAR, NI DISTANCIA RADIAL, GIRAN A IGUAL VELOCIDAD ANGULAR………….”

      Esto fue lo que me sorprendió.

      Eso no encaja, un giro de todas las estrellas de una galaxia a igual velocidad angular (” Sin embargo… ¡encuentro una y otra vez, para todas las galaxias, que las velocidades de las estrellas, lejos de disminuir al alejarse del centro, son todas semejantes! Es… como si se moviesen en el seno de un fluido viscoso que las arrastrara, pero un fluido… ¡invisible!”, ‘El Enigma Oscuro’), no se puede conseguir poniendo masa en la galaxia, tenga la distribución radial y angular de masa que tenga.

      Ya lo dije en ese comentario del 7-11-2011, debo estar equivocado, les han dado el premio nobel, pero no encaja, no encaja.

      ¿Some help on the Issue, Antonio, or others?.

      • Javier, no es verdad que la velocidad de las estrellas en las galaxias siempre tienda a un valor constante. Hay muchísimos ejemplos en los que la velocidad crece rápido hasta un máximo y luego decae, pero más lentamente de lo que se esperaría si solo hubiera materia visible. Lo que pasa es que para exagerar el efecto, queda más bonito presentar las galaxias para las que parece que la velocidad alcanza un valor constante o crece ligeramente. Por supuesto, muy lejos de una galaxia es muy difícil (casi imposible) saber a qué velocidad se mueven las estrellas y por eso las curvas de velocidad se cortan “antes de tiempo”).

        Cualquier libro o artículo de revisión sobre halos galácticos que presente más de 10 curvas de velocidad galáctica te mostrará varios ejemplos de lo que te digo. De hecho, no estoy seguro, pero no recuerdo haber visto nunca más de 10 ejemplos de curvas que alcanzan un valor constante a gran distancia del centro galáctica; la mayoría de las que recuerdo acaban decayendo.

  2. Antonio Alfonso, igual estoy metiendo la pata, pero suponiendo a la materia ordinaria sea del 5% y la oscura del 20%, la materia oscura sería el 80 % de la MATERIA (perdón por las mayúsculas, pero no sé poner negrita). Creo que tú hablas de porcentajes totales, mientras que Francis habla sólo de materia.

    • Otra entrada que tengo pendiente… me enteré de la noticia gracias a @EDocet. He leído el paper y ya he empezado a escribir el borrador… otro más.

      • Lo veo difícil francamente. El problema de la materia oscura es más complejo que el ajuste de curvas de rotación de galaxias espirales. Pasa también por las galaxias elípticas, de las cuales algunas muy masivas actúan como lentes gravitatorias, y por los cúmulos de galaxias, de los que algunos también actúan como lentes gravitatorias. Ah, y por la cosmología. Ya que sin materia oscura, no podemos entender cómo surgieron las galaxias, ya que la materia ordinaria no pudo colapsar debido a su interacción con la radiación antes de la recombinación. Durante la época del fondo cósmico de microondas.

    • Edgar, le acabo de pasar el paper que mencionas a una amiga astrónoma que casualmente está trabajando en Italia con simulaciones galácticas. Salu2.

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