El neutrino podría ser parte de la materia oscura

Un nuevo estudio plantea que el neutrino podría ser parte de la materia oscura. Si fuese así, estaríamos ante uno de los descubrimientos más interesantes de los últimos tiempos. Aunque todavía no deberíamos pensar en lanzar las campanas al vuelo…

En busca de entender la naturaleza

El neutrino podría ser parte de la materia oscura

El anillo de oscuridad en este cúmulo galáctico, Cl 0024+17, indica la posible presencia de materia oscura.
Crédito: NASA, ESA, M.J. Jee y H. Ford (Johns Hopkins University)

Los físicos intentan comprender la estructura básica de la naturaleza a través de los marcos teóricos. Con ellos, intentan explicar lo que vemos y, al mismo tiempo, hacer predicciones que puedan poner a prueba. En la escala más pequeña de las partículas elementales, las que componen todo lo demás, el modelo estándar de la física de partículas sirve, para los investigadores, como los cimientos sobre los que construir el conocimiento.

En la escala más grande, la del universo, esos cimientos son lo que conocemos como el modelo estándar de cosmología. Apoyado en la teoría de la relatividad general de Einstein, hace algunas afirmaciones que seguramente te sean familiares. En particular, que la mayor parte de la masa y energía del universo está compuesta de dos sustancias invisibles. Se trata de la energía y la materia oscura. Ambas, en conjunto, suponen el 80% del universo.

En las últimas décadas, el modelo estándar de cosmología ha sido muy útil. Ha logrado explicar observaciones muy diferentes de nuestro universo. Sin embargo, todavía no está claro qué compone la materia oscura. Solo se sabe de su existencia por la atracción gravitatoria que tiene en los cúmulos de galaxias y en otras estructuras. A lo largo del tiempo, se han propuesto muchas partículas como candidatos. Sin embargo, ninguna ha llegado a destacar.

La materia oscura fría y caliente

El cúmulo de galaxias MACS J1149+2223, localizado a unos 5.000 millones de años-luz de la Vía Láctea.
Crédito: NASA, ESA, S. Rodney (John Hopkins University, USA) and the FrontierSN team; T. Treu (University of California Los Angeles, USA), P. Kelly (University of California Berkeley, USA) and the GLASS team; J. Lotz (STScI) and the Frontier Fields team; M. Postman (STScI) and the CLASH team; and Z. Levay (STScI)

Por eso, este nuevo estudio es muy interesante. En el, se plantea que el neutrino podría ser una de esas partículas. Como quizá sepas, un neutrino es una partícula extremadamente ligera. Sin embargo, si fuese así, eso pondría en duda nuestro conocimiento de la materia oscura. Pero vayamos por partes y repasemos qué es lo que cuentan los investigadores. Puede ser un descubrimiento muy importante… o quedarse en nada.

El modelo estándar plantea que la materia oscura es fría. Es decir, consiste de partículas relativamente pesadas que, inicialmente, tuvieron movimientos lentos. La consecuencia de esto es que es muy sencillo que las partículas cercanas se agrupen y formen objetos que estén ligados por la gravedad. Así que la predicción del modelo es que el universo debería estar lleno de pequeñas coronas de materia oscura. Algunas de ellas se unirán y formarán sistemas más masivos. Haciendo que el universo esté lleno de protuberancias.

Al mismo tiempo, no es imposible que parte de esa materia oscura sea caliente. Es decir, que esté formada por partículas relativamente ligeras que tengan una velocidad muy elevada. Eso implicaría que las partículas pueden escapar con facilidad de regiones densas como galaxias. Eso ralentizaría la acumulación de nueva materia y nos llevaría a un universo en el que formación de estructuras fuese más lisa (por decirlo de alguna manera, no literal).

El neutrino como materia oscura caliente

Este concepto artístico de la Vía Láctea muestra cuál sería la posible distribución de la materia oscura a su alrededor. Está indicada como una corona de color azul oscuro.
Crédito: ESO/L. Calçada.

El neutrino tiene la capacidad de moverse a velocidades extremadamente altas. Algo que le convierte en buen candidato para ser materia oscura caliente. Tienen la particularidad de no emitir o absorber luz, haciendo que parezcan oscuros. Durante mucho tiempo se creyó que los neutrinos, que existen en tres variantes, no tienen masa. Sin embargo, los experimentos han demostrado que pueden cambiar de una variante a otra. Los científicos han demostrado que hace falta tener masa para hacer ese cambio.

Sin embargo, en las últimas décadas, tanto los experimentos de física de partículas como las investigaciones astrofísicas han descartado esa posibilidad. No se deducía, de ellos, que el neutrino pudiese formar parte de la materia oscura. Además, el modelo estándar supone que los neutrinos, y la materia oscura caliente en general, tienen tan poca masa que su contribución a la materia oscura puede ignorarse por completo. En muchos casos, de hecho, se suponía que era un 0%.

Hasta hace poco, este modelo ha permitido reproducir diferentes observaciones cosmológicas con mucha fidelidad. Pero en los últimos años, la cantidad y calidad de las observaciones cosmológicas ha aumentado considerablemente. Uno de los mejores ejemplos ha sido la aparición de las observaciones con lente gravitatoria. Como quizá sepas, es uno de los métodos utilizados, por ejemplo, para buscar exoplanetas.

La lente gravitatoria y el neutrino

Esta imagen muestra el efecto de la lente gravitacional. La galaxia roja (en el centro) distorsiona la luz de una galaxia azul muchísimo más distante.
Crédito: ESA/Hubble & NASA

La teoría de la relatividad general indica que la materia curva el espacio-tiempo. Por lo que la luz, de las galaxias más lejanas, puede verse desviada por objetos masivos que estén entre nosotros y esas galaxias. El método se ha utilizado en muchas ocasiones. Sin ir más lejos, fue la lente gravitatoria lo que posibilitó el descubrimiento de Ícaro. La estrella individual que se ha observado a mayor distancia: 9.000 millones de años-luz.

Los astrónomos pueden medir esa desviación para calcular el crecimiento de la estructura del universo a lo largo del tiempo. Es decir, pueden analizar cómo han ido desarrollándose esas protuberancias en el transcurso de miles de millones de años. Con esos datos en la mano, es posible comprobar, de diferentes maneras, las predicciones del modelo estándar. De esas comparaciones, surge la idea de que el universo tiene menos protuberancias de lo esperado.

Por lo menos, si toda la materia oscura fuese fría. Aunque esto tampoco quiere decir que el neutrino sea materia oscura caliente. Ni mucho menos. Es simplemente una observación que resulta interesante. No es tan sencillo, según cuentan los investigadores, hacer comparaciones entre el modelo estándar y los datos de los que disponen. Concretamente, se ha observado que la abundancia de esas protuberancias no depende solo de la materia oscura.

El papel de la materia oscura y otras cosas

El efecto de lente gravitacional que se puede ver en este cúmulo galáctico (Abell 1689) indica la presencia de materia oscura.
Crédito: NASA, N. Benitez (JHU), T. Broadhurst (Racah Institute of Physics/The Hebrew University), H. Ford (JHU), M. Clampin (STScI),G. Hartig (STScI), G. Illingworth (UCO/Lick Observatory) y ESA.

Hay otros procesos complejos que afectan a la materia normal, que está formada por protones y neutrones. Hasta ahora, siempre se ha supuesto que la materia normal se ve sujeta a la gravedad y la presión. Su distribución debería ser como la de la materia oscura, aunque esta segunda solo se ve afectada por la gravedad. Sin embargo, en este estudio, se ha creado una gran cantidad de simulaciones cosmológicas (llamado BAHAMAS), por ordenador, de la materia normal y oscura.

Han hecho, también diversas comparaciones con las observaciones más recientes. Esto ha llevado a los investigadores a concluir que la diferencia, entre los datos de observaciones y el modelo estándar de materia oscura fría, es mucho más grande de lo que se pensaba. Si están en lo correcto, quiere decir que nuestra comprensión del universo puede necesitar un repaso. Aunque teniendo en cuenta lo que sabemos de la materia oscura, que es poco, no me sorprendería que fuese así.

Según cuentan, los científicos han analizado con mucho detalle el movimiento y efectos del neutrino. Esperaban que, al introducir el neutrino en el modelo, la formación de estructuras en el cosmos presentase menos protuberancias. Esto sugiere que los neutrinos, en su conjunto, deben representar entre el 3 y el 5% de la masa de la materia oscura. Algo que permitiría reproducir consistentemente diferentes observaciones.

La masa que representa el neutrino

Transporte del espectrómetro principal de KATRIN en Karlsruhe.
Crédito: Wikimedia Commons/Dkw

Entre ellas, se incluyen las mediciones de la lente gravitacional. Si el porcentaje de materia oscura caliente fuese mayor, la estructura del universo presentaría menos protuberancias. La investigación puede ayudar, además, a comprender cuál es la masa del neutrino. Algo que todavía no se ha concretado en mucho detalle. A partir de varios experimentos, los físicos de partículas han calculado que la suma de las tres variantes de neutrinos debería ser, al menos, de 0,06 electronvoltios.

Un electronvoltio es una unidad de energía. Algo similar a un julio. A partir de esa suposición, se puede estimar la contribución total del neutrino a la materia oscura. El resultado es que supondría alrededor del 0,5% de su masa. Ese cálculo difiere mucho de lo que han obtenido los investigadores. Según sus estimaciones, supone entre seis y diez veces más masa de la materia oscura de lo que se sugería.

Es decir, la masa de un único neutrino debería estar en torno a los 0,3 y 0,5 electronvoltios. Una cifra cercana a los valores que se podrán medir en experimentos de física de partículas futuros. Como KATRIN, que se está construyendo en Karlsruhe (Alemania). Si las mediciones, cuando se hagan, encajan con la simulación de los investigadores, será un gran hallazgo. Permitiría comprender la función del neutrino desde la escala más grande, la de la materia oscura, hasta la más pequeña, la del reino de la física de partículas.

El estudio es Ian G. McCarthy, Simeon Bird, Joop Schaye et al; “The BAHAMAS project: the CMB–large-scale structure tension and the roles of massive neutrinos and galaxy formation”. Publicado en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society el 13 de febrero de 2018. Puede consultarse en este enlace.

Referencias: The Conversation

Alex Riveiro

Amante de la astronomía. Hablo de todo lo relacionado con el universo y sus conceptos de una manera amena y sencilla. Desde los púlsares hasta la historia de la astronomía en Al-Andalus.

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2 Respuestas

  1. ¿Acaso nos llega el 100% de la luz -fotones- que emiten las estrellas? Solo nos llega una parte ¿dónde quedan esos fotones? ¿los neutrinos pueden mantener esa velocidad en el infinito del tiempo o su muy minúscula -supuesta- masa los detiene? Si se detienen ¿son materia oscura fría?

    QUIERO APOSTAR QUE LOS FOTONES SON (o componen en algo) A LA ENERGÍA OSCURA E IGUAL LOS NEUTRINOS LA MATERIA OSCURA.

    (Disculpad las mayúsculas, es que me apasiona este tema particular, muchas veces no me llega el sueño pensando en esto y otras me duermo y sueño con el tema -allí ocultos está el tema de la fuerza de gravedad yacente).

    Muy buen artículo.

  2. Bondergirl dice:

    Entendido, tío!

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