Filamentos cósmicos: pruebas sobre la naturaleza de la materia oscura

Título del artículo original: First star-forming structures in fuzzy cosmic filaments
Autores: Philip Mocz, Anastasia Fialkov, Mark Vogelsberger, Fernando Becerra, Mustafa A. Amin, Sownak Bose, Michael Boylan-Kolchin, Pierre-Henri Chavanis, Lars Hernquist, Lachlan Lancaster, Federico Marinacci, Victor Robles, Jesús Zavala
Institución del primer autor: Department of Physics, Princeton University.
Estado del Trabajo: Publicado en Physical Review Letters.
arXiv: arXiv:1910.01653 [astro-ph.HE]

El 85% de la materia en el Universo no ha sido observada, por eso se llama materia oscura, y sus propiedades aún son desconocidas. Descubrir que es la materia oscura muy posiblemente revolucionará la física, generará conocimiento cuyas aplicaciones son impensables hoy en día y como pasó con el desarrollo de la mecánica cuántica a mitad del siglo pasado.

Existen varias hipótesis sobre qué es la materia oscura, desde una partícula aún desconocida, hasta modificaciones en la teoría de la gravedad de Einstein (puedes leer mas en este astrobito). Si la materia oscura es una partícula, las propiedades de dicha partícula se manifestarían a escalas espaciales que pueden ser observadas en galaxias. Varios tipos de materia oscura han sido propuestos motivados por propiedades de partículas que existirían en teorías que extienden el modelo estándar de partículas (ver tabla 1). Desde partículas muy masivas como la WIMPS hasta partículas muy livianas como el Bosón ultraliviano. Las propiedades de estos tipos de materia oscura han sido incorporadas en simulaciones cosmológicas las cuales se usan para predecir observables que ayuden a discernir las propiedades de la misteriosa partícula.  En el artículo de hoy, veremos cómo en las primeras épocas del universo, cuando las galaxias más jóvenes se estaban formando, se encuentra una pista acerca de qué es la materia oscura.

Tipo de materia oscura	Rango de Masas	Tipo de partícula
Fría	~ GeV	WIMPS
Tibia	~KeV	Fermiones
Difusa	10-22 eV	Bosones ultralivianos

Tabla 1: Resumen de las propiedades de las partículas que conforman diferentes tipos de materia oscura.

En las primeras épocas del Universo las partículas de materia empezaron a formar la estructura filamentaria del Universo, que asemeja a la red neuronal del cerebro, formada por halos y filamentos (ver el cuadro (a) de la figura 1). Estas estructuras forman el esqueleto donde las estrellas y el gas empiezan a formar las primeras galaxias en el Universo. El cuadro a en la figura 1, muestra una región alrededor de un filamento de materia oscura dentro de una simulación cosmológica. Según el tipo de materia oscura el la estructura de los filamentos varia. Si la materia oscura es fría (CDM) el filamento se fragmenta más que si la materia oscura es tibia o difusa en donde el filamento es más denso y continuo. Las estrellas (amarillo) y el gas (en verde) dentro del filamento (cuadro (b)) también tienen una distribución diferente en cada tipo de materia oscura. En el cuadro (c) se muestra como a escalas espaciales más pequeñas el comportamiento de la materia oscura difiere en los tres casos. Muy fragmentada, formando cáusticas y patrones de interferencia respectivamente.

Que causa este comportamiento en cada caso:

• Materia Oscura Fría: Formada por partículas masivas, que se pueden aglomerar formado halos de baja masa por lo que la estructura es muy fragmentada.
• Materia Oscura Tibia: Estas partículas no son tan masivas como en el caso de materia oscura fría. Estas partículas tienen velocidades mayores a las de materia oscura fría por lo que impiden el colapso gravitacional y por lo tanto no forman halos de baja masa . Por lo que en este modelo no se forma tanta estructura como en del materia oscura fría.
• Materia Oscura Difusa: Al estar formada por partículas tan livianas sus propiedades ondulatorias se observan a escalas de ~kpc . En este modelo un halo de materia oscura es una gran onda estacionaria (solitón). Al tener comportamiento de Onda genera patrones de interferencia como los mostrados en la Figura 1 cuadro (c). A escalas espaciales grandes su comportamiento es igual al de la Materia Oscura Fría y la Tibia. 

Las predicciones hechas en este artículo, podrán ser comprobadas con el telescopio espacial James Webb, cuya fecha de lanzamiento se estima para el 2021. Este telescopio, gracias a su espejo de 6.5m y con sus instrumentos sensibles en el infrarrojo observará cómo las galaxias se están formando dentro de filamentos en el Universo temprano y darán pistas sobre cuál puede ser la partícula que constituye la materia oscura.