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ASTROPARTÍCULAS

Uno de los problemas más importantes a los que se enfrenta la cosmología actual es la determinación de los componentes del Universo, es decir; su historia y evolución del mismo. Esencialmente, estos constituyentes están a su vez formados por materia y energía del vacío. El estudio de este aspecto se basa en el interés de poder explicar al Universo tal cual es observado actualmente, así como el poder entender su origen, desarrollo y curso futuro. Dentro de las observaciones astronómicas que se han hecho a lo largo de mucho tiempo, se ha encontrado que la dinámica de ciertos objetos, es decir, su movimiento y las causas que lo producen, no corresponden a la que cabría esperar dadas las mediciones de la luz que se recibe de los mismos. Los astrónomos pueden estudiar al Universo a través de la luz que reciben de los objetos que la emiten. Esta proporciona información sobre la velocidad, distancia y movimiento, entre otras cantidades, del objeto que se esta observando. Gracias a esta información, se ha llegado a la conclusión de que existe "algo" que influencia el movimiento de los objetos en el Universo, de tal manera que altera al mismo por medio de su interacción gravitacional siendo esta la única evidencia de su existencia debido a que no se ha observado su influencia por medio de otra manera.


La necesidad de considerar la existencia de la materia obscura en el universo ha sido establecida por observaciones astronómicas a muy variadas escalas, desde el nivel galáctico hasta cúmulos de galaxias. Varias de las propuestas que han surgido para tratar de explicar este hecho, sugieren la existencia de "materia exótica", es decir, materia que interactúa muy débilmente con la materia ordinaria, hasta modificaciones no relativistas de la mecánica Newtoniana e incluso, teorías que no incluyen a la relatividad general. El hecho es que la materia obscura es uno de los componentes más importantes del Universo y su naturaleza es completamente desconocida. Por ejemplo, a escala galáctica, diversas observaciones indican que las curvas de rotación, es decir, el movimiento coplanar orbital del gas en las partes exteriores de las galaxias, son constantes para valores grandes del radio luminoso, las inconsistencias surgen en el momento en que queremos aplicar un análisis newtoniano para explicar el problema. De acuerdo con la mecánica newtoniana, la velocidad de las curvas de rotación debería decrecer conforme nos alejamos del centro galáctico, lo cual no sucede. Esto lleva a pensar que existe algún tipo de materia que no se detecta salvo por su interacción gravitacional con la materia ordinaria. Dentro de las explicaciones más aceptadas, se encuentra la suposición de que existe un "halo esférico de materia obscura de naturaleza aún desconocida" que rodea a la galaxia y que contribuye como la materia que se necesita para producir el comportamiento plano de las curvas de rotación. El "Problema de la Materia Obscura" constituye una de la interrogante más importante a ser resueltas por la física actual.

Los Candidatos a Materia Obscura

La materia obscura es generalmente dividida en dos grandes subgrupos (además de Hot Dark Matter (HDM) y Cold Dark Matter (CDM)); aquellos compuestos por material bariónico y no bariónico. Los candidatos bariónicos emiten únicamente radiación de cuerpo negro extremadamente débil, y los mejores candidatos son agregados no masivos de partículas, más que partículas individuales. Los candidatos no bariónicos son neutros, es decir, no tienen carga eléctrica, por lo que no hay interacciones electromagnéticas con el resto de la materia así que no puede haber algún tipo de radiación emitida por estas partículas.

Candidatos no Bariónicos:

Las contribuciones de materia obscura de origen bariónico y no bariónico a la masa total de Universo pueden acotarse por medio de la cantidad de Helio que se produjo de los bariones en el Universo temprano. Esto lo explica la teoría de la Nucleosíntesis en el Big Bang. Cuando el Universo tenía un segundo de edad, la proporción del número de neutrones al de protones era de Nn/Np = 0.2 (el neutrón tiene una masa de 1.29 MeV/c2 y es más masivo que el protón). Había un neutrón por cada cinco protones. Cuando la temperatura del Universo bajón a 0.1 MeV, comenzó la producción de deuterio de la reacción

n + p -> D + foton .

Un neutrón aislado tiene una vida media de 11 segundos, en el momento en que la producción de deuterio comenzó, Nn/Np era alrededor de 0.14.   A esto le siguió una cantidad de deuterio, protones y neutrones formando núcleos de helio. Suponiendo que todos los neutrones formaran núcleos de helio, se puede encontrar la abundancia primordial del mismo, la cual es igual a

(2Nn/Np )/(1 + Nn/Np ) = 0.25 .

Este valor, determinado experimentalmente, fija la abundancia de helio primordial y concuerda con el valor predicho por nucleosíntesis del Big Bang, que se encuentra entre 23 - 25 % de la masa del Universo. La abundancia de helio así como de otros elementos menos comunes producidos en el Big Bang, tales como deuterio y litio, ayuda a fijar límites sobre el valor de OmegaB. Algunos otros elementos formados en pasos intermediaRíos de la producción de helio son demasiado inestables para ser tomados en cuenta. Un incremento de la cantidad OmegaB, significaría un incremento en la producción del helio y un decremento en la abundancia del deuterio, las reacciones que producen el helio son muy eficientes. Por el contrario, un decremento en OmegaB significa una disminución en la producción del helio. De hache que las abundancias del helio sirven para fijar cotas sobre esta cantidad.


La materia obscura no bariónica es dividida en dos categorías como ya se mencionó antes; HDM y CDM. Las partículas de materia obscura fría también son llamadas WIMP's (por las siglas en inglés Weakly Interactive Massive Particles), tienen masas más grandes y se mueven más lentamente que las que pertenecen a HDM, como ya se mencionó, esto es importante para la formación de estructura galáctica.
Los Principales Candidatos No Bariónicos son:

a) Neutrinos.
b) Campos Escalares.
c) Axiones.
d) WIMP's.
e) Neutralinos, Axinos, Gravitinos, etc.

Entre los resultados más importantes a nivel galáctico se encuentran las mediciones de las curvas de rotación del Hidrógeno neutro en el siglo pasado. Como se mencionó antes, la velocidad de rotación atribuida a este componente no decrecía en la forma que cabría esperar de acuerdo a las leyes de Kepler y el teorema del virial, sino que continuaba de forma aproximadamente constante con un valor de 200 Km/s. Este hecho, junto con el incremento de la razón M/L conforme la distancia al centro de la galaxia aumenta, las órbitas de las galaxias binarias, movimientos aleatoRíos de galaxias en cúmulos y la distribución de gas a temperaturas altas en los mismos, lleva a establecer la existencia de un halo masivo cuya simetría se asume esférica y que rodea a las galaxias, principalmente, a las galaxias espirales. Entre los estudios que se han hecho a nivel de este tipo de galaxias, se ha podido llegar a la conclusión de que solo se ha estudiado del 5 al 10 % de la materia que compone al Universo, aunque es aceptado que su componente principal actualmente, es la energía del vacío o constante cosmológica.


La cantidad y naturaleza de la materia obscura en el Universo afecta la formación de estructura en el mismo, sobretodo, en su época temprana cuando las fluctuaciones cuánticas en la densidad de energía determinaron el tipo de estructuras que se iban a formar debido a la atracción gravitatoria producida por las mismas.


La clasificación más genérica dada a la materia obscura esta subdividida en dos clases: fría y caliente, relacionadas directamente con el valor atribuido a su masa y la velocidad con la que esta se mueve, ya que la materia obscura es considerada eléctricamente neutra. El tipo de estructura que se puede formar a partir de cada clase es muy distinta debido a la forma en que las inestabilidades gravitacionales que llevan a la formación de estructura, son alteradas por la velocidad con la que esta materia se mueve. Entre menor sea la masa y mayor la energía cinética, más fácilmente será que las estructuras que tiendan a formarse sean alargadas y de escalas del tipo de cúmulos galácticos y supercúmulos. Por el contrario, entre mayor sea la masa del candidato a considerar y menor su energía cinética, estructuras pequeñas como galaxias serán favorecidas en mayor número. Esta clase de predicciones han sido contrastadas con las observaciones hechas para poder discriminar los modelos que las proponen y considerar distintos tipos o combinaciones que incluyen materia fría y caliente al mismo tiempo "materia obscura tibia" (WDM).

Además de la clasificación mencionada, la materia obscura se subdivide en candidatos bariónicos y no bariónicos, este hecho obedece a que los candidatos bariónicos (polvo, gas, enanas blancas, enanas cafés, agujeros negros, etc.) necesitan ser considerados en cantidades que afectan de manera inadmisible la teoría de nuclesíntesis y que no concuerdan con las observaciones llevadas a cabo en su búsqueda, con lo cual, es posible considerar otro tipo de candidatos que surgen naturalmente en el modelo estándar y en sus extensiones. De esta forma, las posibles combinaciones que se pueden hacer y su repercusión en la formación de estructura y la abundancia de elementos primordiales tienden a complicar el análisis, debido a que, como se ha expuesto anteriormente, dentro de la construcción de los modelos que consideran estos candidatos, hay que tomar en cuenta la forma en que los términos añadidos a la teoría o Lagrangiano que los producen, afectan las ecuaciones y en que momento de la evolución del Universo se produce el rompimiento de la simetría que da lugar a que adquieran masa y se distingan como entes aparte, a partir de lo cual, hay que analizar como la subsiguiente evolución de los mismos afecta las formación de estructura y de los elementos primordiales.


Además de lo anterior, es necesario considerar el hecho de que existe evidencia que apunta a que el Universo se encuentra en un período de expansión acelerada, resultado contrario a lo que se espera a partir de la teoría del Big-Bang nucleosíntesis, en la cual hay una singularidad inicial después de la cual el Universo se desacelera aunque se encuentra en expansión. Esto lleva a considerar que hay otro componente adicional a la materia obscura y bariónica causante de la aceleración. La llamada ``Constante Cosmológica'' o energía del vacío propuesta por Einstein y que es añadida como un término extra a la teoría, o al tensor de energía momento y cuya ecuación de estado es negativa, con lo cual, el efecto gravitatorio contrario al usual es producido. La forma en que esta componente altera la expansión del Universo tiene que ver con el hecho de que las respectivas densidades de los componentes del mismo evolucionan de una manera distinta con el factor de escala y por consiguiente con el tiempo mismo. La combinación de todos ellos (radiación, materia bariónica, materia obscura, constante cosmológica), lleva a que en la época actual sea esta última la que domina. La naturaleza de esta constante cosmológica es de naturaleza desconocida, es el principal componente del Universo actualmente de acuerdo a los datos que se exponen antes, en menor proporción la materia obscura y posteriormente la materia bariónica (gas, polvo, estrellas, etc.).


El escenario presentado de esta manera adquiere muchos elementos que no están determinados y cuya naturaleza permanece desconocida. En primer lugar, a nivel galáctico, el principal componente, la materia obscura, permanece como un "algo" a ser determinado, el problema no consiste únicamente es sugerir candidatos que puedan formarla, sino que hay que considerar la forma en que pueden ser detectados, como pueden surgir de una teoría que los produzca y que su cantidad y características en número y masa puedan ser observados. A nivel cosmológico, las consideraciones también incluyen que la composición de estos candidatos no afecten las abundancias de los elementos primordiales predichos por nuclesíntesis, se ajusten a las observaciones de la estructura a gran y pequeña escala del Universo y el hecho de que el Universo mismo sigue una época de expansión acelerada requiere la consideración de otro componente, la constante cosmológica, incluida para poder obtener aceleración dado que su ecuación de estado es negativa, y que de acuerdo a observaciones recientes, el modelo que la propone como el componente principal del Universo (Constante cosmológica + materia obscura fría), parece ser el más favorecido.


De lo anterior se puede considerar al campo de la materia obscura como un área de muchos retos y posibilidades ya que incluye campos muy variados de la física actual, desde la cosmología y observaciones astronómicas, hasta teorías supersimétricas en física de partículas elementales que tratan de encontrar un modelo que describa la naturaleza de este componente del Universo en forma natural. Sin embargo, es una realidad que el problema esta lejos de ser resuelto en su totalidad y permanece aún como un campo abierto y apasionante para su estudio.

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