MATERIA OSCURA SUPERFLUIDA

Los mejor de ambos mundos oscuros

Se cree que la mayor parte de la materia en el Universo es invisible, compuesta de alguna sustancia que no deja huella a medida que avanza a través de nosotros, y a través de todos los detectores que los científicos han creado para atraparla. Pero esta materia oscura podría no consistir en nubes de partículas invisibles, como la mayoría de los teóricos han asumido. En cambio, podría ser algo aún más extraño: un superfluido que se condensó en lagunas hace miles de millones de años, sembrando las galaxias que observamos hoy.

Esta relativamente nueva propuesta tiene grandes implicaciones para la cosmología y la física. La materia oscura superfluida sugiere que nuestra imagen común del universo como una masa de partículas individuales unidas por fuerzas pierde mucha de la riqueza de la naturaleza.

Durante muchos años, las personas tenían un modelo muy simple para la materia oscura: partículas que no emiten luz. Sin embargo, en los últimos 20 años, a medida que las observaciones y las simulaciones han mejorado, existen algunas tensiones en las escalas galácticas con este modelo simple.

Las partículas de materia oscura no interactúan sustancialmente entre sí y, por lo tanto, no se establecen en estructuras compactas equivalentes a estrellas y planetas. Como la materia oscura no emite luz (por definición), la evidencia proviene de sus efectos gravitacionales. El material invisible parece haber influido en la formación, rotación y movimientos de las galaxias. En escalas muy grandes, la materia oscura generalmente coincide bien con las observaciones astronómicas.

Sin embargo, en escalas más pequeñas, este modelo de materia oscura popular y ampliamente utilizado predice que se acumularía más material en los centros galácticos de lo que realmente encuentran los astrónomos, un problema conocido como el "problema cúspide".

Y no es solo que el modelo de materia oscura fría tenga dificultades para ajustar algunos datos, es que un modelo completamente diferente funciona mejor con exactamente aquellas observaciones con las que el modelo estándar tiene dificultades. En lugar de invocar partículas nuevas y no descubiertas, este modelo diferente plantea que la evidencia de la materia oscura se debe a una modificación de la gravedad. No hay una forma directa de medir cómo se comporta la gravedad a distancias de miles o millones de años luz. Los efectos sutiles que no se pueden detectar en la Tierra podrían ser lo suficientemente potentes como para tener una influencia significativa en galaxias enteras.

La gravedad modificada es asombrosamente exitosa en algunos casos, pero tiene problemas en otros lugares. Por un lado, se ajusta a las rotaciones de las galaxias con un esfuerzo notablemente pequeño y explica por qué sus relaciones de brillo-velocidad son todas parecidas: la gravedad modificada permite menos variación de galaxia a galaxia que la formación de nubes de partículas, que podrían ser diferentes. Por otro lado, la gravedad modificada lucha con los datos de observación para distancias mucho más grandes o más pequeñas que el tamaño de una galaxia típica. En esas escalas, es el modelo de materia oscura fría que funciona mejor.

Es notablemente difícil cambiar algo sobre la teoría de la gravedad de Albert Einstein sin arruinarla por completo, por lo que la mayoría de los físicos han optado por la alternativa más segura de la materia oscura de partículas.

Tradicionalmente, las personas han tratado de abordar los problemas a escala galáctica modificando la gravedad; esa ha sido la alternativa a la materia oscura. Por alguna razón, estos dos enfoques se han considerado exclusivos: o estás en el campo de gravedad modificada o estás en el campo de partículas de materia oscura. ¿Pero por qué no podrían ser ambos? Por supuesto, Occam’s Razor (en igualdad de condiciones, la explicación más sencilla suele ser la más probable) diría que es menos convincente. Entonces, el enfoque que hemos tomado es que ambos fenómenos, la gravedad modificada y la materia oscura, podrían ser aspectos de la misma teoría.

Podría ser que la materia oscura a escalas pequeñas hace un tipo de transición de fase. Tal vez se transforma en un tipo de fluido, en particular un superfluido. Si forma un condensado a escala de galaxias, esto resolvería muchos problemas.

Los condensados ​​de Bose-Einstein son una de las sustancias mejor estudiadas que permiten que los efectos cuánticos se propaguen ampliamente a través de un medio. En teoría, el comportamiento cuántico puede abarcar distancias arbitrariamente grandes, siempre que no se altere demasiado.

En un ambiente cálido y ruidoso como la Tierra, los frágiles efectos cuánticos se destruyen rápidamente. Es por eso que normalmente no observamos los aspectos más extraños de la física cuántica. Pero si el comportamiento cuántico inicia en un lugar fresco y tranquilo, perdurará. Un lugar fresco y tranquilo como, por ejemplo, el espacio exterior. Allí, los efectos cuánticos pueden extenderse a través de grandes distancias.

Si la materia oscura fuera un condensado de Bose-Einstein, uno con efectos cuánticos que se extienden por galaxias enteras, este estado explicaría naturalmente dos modos de comportamiento diferentes de la materia oscura. Dentro de las galaxias mismas, la mayor parte de la materia oscura estaría en la fase superfluida. Pero a través de los cúmulos de galaxias que incluyen mucho espacio intergaláctico, la mayor parte de la materia oscura estaría en la fase normal, dando lugar a un comportamiento diferente.

Las ecuaciones para la materia oscura superfluida no pertenecen al ámbito de la física de partículas elementales. Sino que surgen de la teoría en la física de la materia condensada, donde describen no las partículas fundamentales, sino su comportamiento emergente de largo alcance. Las ecuaciones que aparecen en gravedad modificada no son las de las partículas individuales. En cambio, son una descripción de la interacción colectiva de las partículas. Estas ecuaciones no son familiares para muchos físicos de partículas, por lo que la relación entre la superfluidez y la gravedad modificada permaneció inadvertida durante mucho tiempo. Sin embargo, a diferencia de las ecuaciones de gravedad modificada, las ecuaciones que describen superfluidos ya tienen una base teórica sólida, solo en la física de la materia condensada.

El superfluido genera patrones de atracción idénticos a los de las ecuaciones de gravedad modificada, por lo que puede reproducir la regularidad observada de las curvas de rotación galáctica. Sin embargo, a diferencia de la gravedad modificada, se comporta de esta manera solo en el rango de temperatura en el que el componente superfluido es dominante. En la escala más grande de los cúmulos galácticos, la materia oscura se agita demasiado (es decir, está demasiado caliente) y pierde sus propiedades superfluidas. De esta manera, la materia oscura superfluida podría haber sembrado la formación de galaxias visibles mientras que, en su fase no superfluida, coincidiría con la estructura observada de los cúmulos.

El modelo superfluido explica por qué los físicos no han podido encontrar partículas de materia oscura. A partir de la década de 1980, docenas de experimentos diferentes han buscado evidencia directa de tales partículas. A pesar de una amplia variedad de técnicas y materiales, no se ha encontrado evidencia concluyente de materia oscura.

Si la materia oscura es un superfluido, las partículas de las que está hecha deben ser livianas, mucho más livianas que las hipotéticas partículas oscuras que han sido el objetivo de la mayoría de las búsquedas. Los componentes del superfluido son probablemente demasiado leves para aparecer en los experimentos que se están ejecutando actualmente.

Para cuantificar las predicciones, son necesarias simulaciones por computadora. Las simulaciones también deberían mostrar si el número esperado de galaxias satélite de la materia oscura superfluida coincide mejor con las observaciones que con las predicciones de los modelos actuales.