Yoga para materia oscura: Haciendo el modelo de materia oscura fría más flexible

• Título del artículo original: “Structure formation with generalized dark matter“
• Autores: Wayne Hu
• Institución del primer autor: Princeton University, New Jersey, Estados Unidos.
• Estado de la publicación:  Publicado en Astrophysical Journal
• Astrobite original: Yoga for dark matter: Making the Cold Dark Matter model more flexible, por Tanvi Karwal

¿Por qué debería la materia oscura hacer yoga?

El modelo ΛCDM (Λ-Cold Dark Matter, por sus siglas en inglés) es el modelo estándar de la cosmología actual y consiste de materia bariónica, fotones, neutrinos, materia oscura fría y energía oscura que ocupan un universo plano. El acertadamente llamado sector oscuro se puede describir de manera muy simple: la energía oscura es una constante cosmológica (Λ) y la materia oscura es fría (es decir, sus partículas se mueven lentamente en comparación con la velocidad de la luz). Cada componente de ΛCDM se puede cuantificar mediante un único parámetro. La energía oscura impulsa la aceleración cósmica, mientras que la materia oscura se agrupa en semillas e impulsa la formación de estructuras.

El modelo simple ΛCDM ha hecho un trabajo excepcional al describir la estructura del universo a gran escala: predice con precisión características de fenómenos como las oscilaciones acústicas de bariones, el espectro de potencia de materia y la radiación de fondo de microondas (cosmic microwave background, CMB; por sus siglas en inglés). Hasta en el universo local, las mediciones de energía oscura no presentan un desvío significativo de Λ y CDM ha tenido éxito explicando cúmulos de galaxias.

Afortunadamente, es posible que ΛCDM no explique el panorama en su totalidad (¡o me quedaría sin trabajo!). Cuando un modelo ΛCDM se ajusta al CMB, el modelo predice por debajo de la tasa actual de expansión del universo (la infame tensión de Hubble). La motivación física de una contante cosmológica como la energía oscura ha dejado a los físicos haciendo contorsión y malabares (incluso cuando no están haciendo yoga). La materia oscura aún no se ha detectado directamente y los modelos de materia oscura siguen limitados a los ‘buenos’ candidatos motivados por la teoría. Por lo tanto, el Sector Oscuro permanece, pues, oscuro, a pesar de algunos avances recientes, nuestra comprensión es lamentablemente incompleta.

Si ΛCDM no es el panorama completo, ¿cómo podemos construir un modelo más completo? Una forma de ensamblar las piezas de este rompecabezas cosmológico es emplear un enfoque fenomenológico, en lugar de derivar el modelo de los primeros principios. Un modelo fenomenológico describe las relaciones entre variables basadas en el experimento y las observaciones, en lugar de derivarse de la teoría fundamental. En otras palabras, es necesario aplicar inducción en lugar de deducción, como lo hemos hecho al momento.

Hacer que la materia oscura haga yoga con un modelo de Materia Oscura Generalizada

El Modelo Generalizado de Materia Oscura (Generalised Dark Matter, GDM; por sus siglas en inglés), propuesto por primera vez por Wayne Hu en 1998, es precisamente ese enfoque fenomenológico. GDM introduce flexibilidad en el sector oscuro que no es posible en ΛCDM.

GDM postula que la materia oscura es realmente como un fluido imperfecto. En esta descripción, la materia oscura tiene una presión intrínseca distinta de cero, dada por w_g multiplicado por su densidad de energía; donde w_g es una ecuación de estado adimensional. Debido a que la materia oscura ahora ha sido infundida con una presión distinta de cero, puede tener ondas de presión con una velocidad de sonido efectiva (al igual que la velocidad del sonido en el aire es 343 m/s). Además, tiene una viscosidad distinta de cero que amortigua las ondas de presión.

Como el modelo GDM incorpora presión, a diferencia de su contraparte fría, podemos observar algunas características interesantes solo de esta propiedad. Como la densidad de energía de cualquier especie de partícula es proporcional al factor de escala a_{3(1 + w)}, su densidad de energía evoluciona de forma diferente en relación con el MDL. Si GDM reemplaza CDM, la densidad de energía de la especie de materia dominante puede evolucionar de manera diferente en el tiempo en comparación con ΛCDM. Reemplazar w_CDM con w_g puede alterar el tiempo en el cual el universo exhibió la igualdad de materia-radiación, el tiempo de la emisión del CMB y, por lo tanto, cambia las características en el propio CMB.

Como si no fuera poco, si GDM tiene ondas de presión, su densidad de energía puede oscilar alrededor de un valor medio. Si es viscoso, estas oscilaciones se amortiguarán y decaerán. Por lo tanto, GDM cambia la forma en que se agrupan las materias y, por lo tanto, la forma del espectro de energía de la materia.

Además, la materia agrupada forma un pozo de potencial gravitacional. Mientras GDM continúa oscilando, también oscila la profundidad de estos pozos. Los fotones de CMB que viajan hacia nosotros a través del cosmos ganan y pierden energía en estos pozos a través de un mecanismo conocido como el efecto integrado de Sachs-Wolfe (ISW, por sus siglas en inglés). Los fotones obtienen energía atrayéndolos hacia los pozos de potencial gravitatorio y pierden energía al intentar salir de los pozos. Si la altura del pozo cambia a medida que el fotón viaja a través de él, emerge del pozo con un poco menos o más de energía. Por lo tanto, GDM agrega potencia al CMB en las escalas donde ocurre la oscilación.

La radiación que se filtra desde los pozos de potencial gravitacional también hace que los pozos se descompongan. Por lo tanto, el aumento (decreciente) de w_g disminuye (aumenta) la densidad de radiación del Universo con respecto a ΛCDM y, por lo tanto, disminuye (aumenta) el efecto de ISW debido a la radiación. Este efecto se produce a escalas menores o iguales al tamaño del Universo, cuando la densidad de energía de la radiación era apreciable. Los efectos del modelo GDM en el CMB se pueden ver en la Figura 1.

Figura 1: El espectro de potencia CMB predicho por Λ CDM (línea negra punteada) se compara con el obtenido a partir de varios escenarios GDM de Kopp et al. Cada línea adicional corresponde a un parámetro de GDM que varía: (i) la ecuación de estado w (azul), (ii) la velocidad de sonido efectiva c²_s (verde) o (iii) el parámetro de viscosidad c ² _vis (rojo). El efecto ISW se potencia a gran escala (l < 400) para las líneas verde y roja. En escalas más pequeñas (l ≥ 30), los efectos de cambiar w son visibles.

Los parámetros adicionales que hemos incorporado en el modelo de materia oscura lo hacen más flexible. Pero, dejando a un lado la flexibilidad, ¿hacer que materia oscura haga yoga la hizo más poderosa?

¿Por qué la flexibilidad importa?

La parametrización de GDM es realmente poderosa, no solo porque nos permite extender el modelo vainilla CDM, sino también porque puede usarse para modelar otras numerosas especies de partículas. Si se supone que los parámetros de GDM son constantes, podemos modelar una constante cosmológica, neutrinos y radiación oscura, que es una forma hipotética de radiación que media las interacciones entre partículas de materia oscura. Si se les permite variar con el tiempo, GDM puede modelar materia oscura caliente, cálida y campos escalares que describen la energía oscura. Por lo tanto, el modelo GDM permite que la materia oscura varíe su comportamiento a través de las diferentes épocas en la historia cósmica y puede investigar mejor el comportamiento de especies de partículas como los neutrinos.

Por lo tanto, la flexibilidad de este modelo lo hace más poderoso, ¡una muy buena razón para hacer que la materia oscura haga yoga!