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HYPER (HighlY Interactive Picle Relics): un nuevo modelo para la materia oscura

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HYPER (HighlY Interactive Picle Relics): un nuevo modelo para la materia oscura

Un equipo de investigadores acaba de proponer un nuevo candidato para la materia oscura: HYPER, o «Reliquias de partículas altamente interactivas».

La transición de fase en el universo primitivo cambia la fuerza de la interacción entre la materia oscura y la materia normal.

La materia oscura sigue siendo uno de los mayores misterios de la física moderna. Claramente debe existir, porque sin la materia oscura, por ejemplo, no se puede explicar el movimiento de las galaxias. Pero nunca ha sido posible detectar materia oscura en un experimento.

Actualmente, las propuestas de nuevos experimentos son numerosas: tienen como objetivo detectar la materia oscura directamente a través de su difusión a partir de los constituyentes de los núcleos atómicos de un medio de detección, es decir, protones y neutrones.

Un equipo de investigadores, Robert McGehee y Aaron Pierce de la Universidad de Michigan y Gilly Elor de la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz en Alemania, han propuesto ahora un nuevo candidato para la materia oscura: HYPER, o «Reliquias de partículas altamente interactivas».

En el modelo HYPER, algún tiempo después de la formación de materia oscura en el universo primitivo, la fuerza de su interacción con la materia normal aumenta considerablemente, lo que, por un lado, la hace potencialmente detectable en la actualidad y al mismo tiempo puede explicar la abundancia de materia oscura. importar. pregunta.

Mapa de materia oscura del Hubble Abell 1689

Esta imagen del telescopio espacial Hubble de la NASA muestra la distribución de la materia oscura en el centro del cúmulo de galaxias gigantes Abell 1689, que contiene alrededor de 1000 galaxias y billones de estrellas.
La materia oscura es una forma de materia invisible que representa la mayor parte de la masa del universo. Hubble no puede ver la materia oscura directamente. Los astrónomos dedujeron su ubicación analizando el efecto de la lente gravitacional, donde la luz de las galaxias detrás de Abell 1689 es distorsionada por la materia que interviene en el cúmulo.
Los investigadores utilizaron las posiciones observadas de 135 imágenes de lentes de 42 galaxias de fondo para calcular la ubicación y la cantidad de materia oscura en el cúmulo. Superpusieron un mapa de estas concentraciones de materia oscura inferidas, teñidas de azul, sobre una imagen del cúmulo tomada por la Cámara avanzada para sondeos del Hubble. Si la gravedad del cúmulo solo proviniera de las galaxias visibles, las distorsiones de lente serían mucho más débiles. El mapa revela que la concentración más densa de materia oscura se encuentra en el corazón del cúmulo.
Abell 1689 reside a 2.200 millones de años luz de la Tierra. La imagen fue tomada en junio de 2002.
Crédito: NASA, ESA, D. Coe (NASA Jet Propulsion Laboratory/California Institute of Technology, and Space Telescope Science Institute), N. Benitez (Instituto de Astrofísica de Andalucía, España), T. Broadhurst (Universidad del País Vasco, España) y H. Ford (Universidad Johns Hopkins)

La nueva diversidad en el sector de la materia oscura

Dado que la búsqueda de partículas pesadas de materia oscura, o WIMPS, aún no se ha concretado, la comunidad investigadora está buscando partículas de materia oscura alternativas, especialmente las más ligeras. Al mismo tiempo, las transiciones de fase se esperan genéricamente en el sector oscuro; después de todo, hay varias de ellas en el sector visible, según los investigadores. Pero estudios previos han tendido a pasarlos por alto.

«No ha habido un modelo consistente de materia oscura para el rango de masas al que esperan acceder algunos experimentos planeados». Sin embargo, nuestro modelo HYPER ilustra que una transición de fase en realidad puede ayudar a que la materia oscura sea más fácilmente detectable», dijo Elor, investigador postdoctoral. en física teórica en JGU.

El desafío para un modelo adecuado: si la materia oscura interactúa con demasiada fuerza con la materia normal, su cantidad (precisamente conocida) formada en el universo primitivo sería demasiado pequeña, lo que contradiría las observaciones astrofísicas. Sin embargo, si se produce en la cantidad adecuada, la interacción sería demasiado débil para detectar la materia oscura en los experimentos actuales.

“Nuestra idea central, que subyace en el modelo HYPER, es que la interacción cambia abruptamente una vez, para que podamos tener lo mejor de ambos mundos: la cantidad correcta de materia oscura y una gran interacción para que podamos detectarla”, dijo. McGehee.

Y así es como lo piensan los investigadores: en la física de partículas, una interacción generalmente está mediada por una partícula específica, el llamado mediador, al igual que la interacción de la materia oscura con la materia normal. Tanto la formación de materia oscura como su detección funcionan a través de este mediador, dependiendo la fuerza de la interacción de su masa: cuanto mayor es la masa, más débil es la interacción.

El mediador primero debe ser lo suficientemente pesado para que se forme la cantidad correcta de materia oscura y luego lo suficientemente ligero para que la materia oscura sea detectable. La solución: hubo una transición de fase después de la formación de la materia oscura, durante la cual la masa del mediador disminuyó repentinamente.

«Así, por un lado, la cantidad de materia oscura se mantiene constante y, por otro lado, la interacción se estimula o mejora de tal manera que la materia oscura debería ser detectable directamente», dijo Pierce.

El nuevo modelo cubre casi todo el rango de parámetros de los experimentos planificados.

«El modelo HYPER de materia oscura puede cubrir casi todo el rango que los nuevos experimentos hacen accesible», dijo Elor.

Específicamente, el equipo de investigación primero consideró que la sección transversal máxima de la interacción mediada por mediadores con protones y neutrones de un núcleo atómico era consistente con las observaciones astrológicas y ciertas desintegraciones en la física de partículas. El siguiente paso fue determinar si había un modelo de materia oscura que exhibiera esta interacción.

“Y aquí tenemos la idea de la transición de fase”, dijo McGehee. «Luego calculamos cuánta materia oscura existe en el universo y luego simulamos la transición de fase usando nuestros cálculos».

Se deben tener en cuenta muchas limitaciones, como una cantidad constante de materia oscura.

«Aquí tenemos que considerar e incluir sistemáticamente muchos escenarios, por ejemplo, haciéndonos la pregunta de si es realmente seguro que nuestro mediador no conduzca repentinamente a la formación de nueva materia oscura, lo que por supuesto no debería ser así», dijo Elor. dicho. . «Pero al final, estábamos convencidos de que nuestro modelo HYPER estaba funcionando».

La investigación se publica en la revista Cartas de exploración física.

Referencia: «Maximización de la detección directa con materia oscura reliquia de partículas altamente interactiva» por Gilly Elor, Robert McGehee y Aaron Pierce, 20 de enero de 2023, Cartas de exploración física.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.031803

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Cómo votan los astronautas desde la Estación Espacial Internacional

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Cómo votan los astronautas desde la Estación Espacial Internacional

Aquellos que planeen votar el día de las principales elecciones primarias presidenciales, conocidas como Súper Martes, probablemente se dirigirán a sus escuelas, iglesias y centros recreativos locales para votar.

Pero para aquellos que viven a 400 kilómetros sobre la Tierra, no será posible llegar al colegio electoral más cercano.

Los astronautas en misiones a bordo de la Estación Espacial Internacional suelen estar fuera durante unos seis meses, o un año en el caso imprevisto de Frank Rubio. Estar lejos de la Tierra durante tanto tiempo significa que los astronautas corren el riesgo de perderse algunas elecciones bastante importantes.

Afortunadamente, la NASA ha implementado medidas desde finales de la década de 1990 para garantizar que estos intrépidos astronautas aún puedan participar en la democracia.

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El telescopio espacial James Webb captura el final de la formación del planeta

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El telescopio espacial James Webb captura el final de la formación del planeta

Una impresión artística adecuada para mostrar el gas que se dispersa desde un disco de formación de planetas. Crédito: ESO/M. Presagio de Korn

El Telescopio Espacial James Webb (JWST) ayuda a los científicos a descubrir cómo se forman los planetas al mejorar la comprensión de sus lugares de nacimiento y los discos circunestelares que rodean a las estrellas jóvenes.


en un papel publicado dentro La revista astronómica., un equipo de científicos, dirigido por Naman Bajaj de la Universidad de Arizona e incluido el Dr. Uma Gorti del Instituto SETI, tomó imágenes por primera vez de los vientos de un antiguo disco de formación de planetas (aún muy joven en relación con el sol). que está dispersando activamente su contenido gaseoso. Ya se han fotografiado el disco, pero no los vientos de los discos antiguos. Saber cuándo se dispersa el gas es importante porque limita el tiempo que les queda a los planetas nacientes para consumir gas de su entorno.

En el centro de este descubrimiento está la observación de TCha, una estrella joven (relativa al Sol) envuelta por un disco erosionado que destaca por su gran agujero de polvo, de aproximadamente 30 unidades astronómicas de radio. Por primera vez, los astrónomos han fotografiado el gas que se dispersa (llamado viento) utilizando las cuatro líneas de los gases raros neón (Ne) y argón (Ar), una de las cuales es la primera detección en un disco en formación de un planeta. las imagenes de [Ne II] muestran que el viento proviene de una amplia región del disco.

El equipo, todos miembros de un programa JWST dirigido por Ilaria Pascucci (Universidad de Arizona), también quiere saber cómo se lleva a cabo este proceso para comprender mejor la historia y el impacto en nuestro sistema solar.

«Estos vientos podrían ser impulsados ​​por fotones estelares de alta energía (luz estelar) o por el campo magnético que entreteje el disco que forma el planeta», dijo Bajaj.

La Dra. Gorti del Instituto SETI ha estado investigando la dispersión del disco durante décadas, y ella y su colega predijeron la fuerte emisión de argón que ahora ha detectado el JWST. Está “emocionada de poder finalmente desenredar las condiciones físicas del viento para entender cómo despegan”.

Los sistemas planetarios como nuestro sistema solar parecen contener más objetos rocosos que objetos ricos en gas. Alrededor de nuestro Sol, se incluyen los planetas interiores, el cinturón de asteroides y el cinturón de Kuiper. Pero los científicos saben desde hace mucho tiempo que los discos que forman los planetas inicialmente tienen una masa 100 veces mayor en el gas que en los sólidos, lo que plantea una pregunta apremiante: ¿cuándo y cómo la mayor parte del gas abandona el disco/sistema?

Durante las primeras etapas de la formación del sistema planetario, los planetas se fusionan en un disco giratorio de gas y polvo diminuto alrededor de la joven estrella. Estas partículas se agrupan y forman piezas cada vez más grandes llamadas planetesimales. Con el tiempo, estos planetesimales chocan y se pegan, formando finalmente planetas. El tipo, tamaño y ubicación de los planetas que se forman dependen de la cantidad de material disponible y de cuánto tiempo permanece en el disco. Por tanto, el resultado de la formación de planetas depende de la evolución y dispersión del disco.

El mismo grupo, en otro artículo dirigido por el Dr. Andrew Sellek del Observatorio de Leiden, realizó simulaciones de la dispersión causada por fotones estelares para diferenciar entre los dos. Comparan estas simulaciones con observaciones reales y descubren que la dispersión por fotones estelares de alta energía puede explicar las observaciones y, por lo tanto, no se puede descartar.

El Dr. Sellek describió cómo “medir las cuatro líneas simultáneamente con JWST resultó crucial para determinar las propiedades del viento y nos ayudó a demostrar que se dispersan cantidades significativas de gas”.

Para poner las cosas en contexto, los investigadores calculan que la masa que se dispersa cada año equivale a la de la Luna. Un artículo complementario, actualmente en revisión por La revista astronómica.detallará estos resultados.

EL [Ne II] Esta línea fue descubierta por primera vez hacia varios discos de formación de planetas en 2007 con el Telescopio Espacial Spitzer y rápidamente fue identificada como un trazador de viento por el Profesor Pascucci, líder del proyecto en la Universidad de Arizona; Esto transformó los esfuerzos de investigación centrados en comprender la dispersión de gases en los discos. El descubrimiento de soluciones resueltas espacialmente [Ne II] y la primera detección de [Ar III] El uso de JWST podría convertirse en el siguiente paso hacia la transformación de nuestra comprensión de este proceso.

«Utilizamos el neón por primera vez para estudiar los discos de formación de planetas hace más de una década, probando nuestras simulaciones por computadora con datos de Spitzer y nuevas observaciones obtenidas con el VLT de ESO», dijo el profesor Richard Alexander de la Facultad de Física y Física de la Universidad de Leicester. Astronomía. Aprendimos mucho, pero estas observaciones no nos permitieron medir la masa perdida por los discos. Los nuevos datos JWST son espectaculares y poder resolver los vientos del disco en las imágenes es algo que nunca creí posible. Con más observaciones como esta por venir, JWST nos permitirá comprender los sistemas planetarios jóvenes como nunca antes. »

Además, el grupo también descubrió que el disco interno de T Cha evoluciona en escalas de tiempo muy cortas, varias décadas; encuentran que el espectro JWST de T Cha difiere del espectro anterior de Spitzer. Según Chengyan Xie de la Universidad de Arizona, autor principal de este trabajo en curso, esta discrepancia podría explicarse por un pequeño disco interno asimétrico que perdió parte de su masa en sólo 17 años. Junto con otros estudios, esto también sugiere que el disco T Cha se encuentra al final de su evolución.

Xie añade: “Es posible que podamos presenciar la dispersión de toda la masa de polvo en el disco interno de T Cha durante nuestra vida. »

Las implicaciones de estos hallazgos ofrecen nuevos conocimientos sobre las complejas interacciones que conducen a la dispersión de gases y polvos esenciales para la formación de planetas. Al comprender los mecanismos detrás de la dispersión de los discos, los científicos pueden predecir mejor el momento y los entornos favorables para el nacimiento de los planetas. El trabajo del equipo demuestra el poder de JWST y abre una nueva vía en la exploración de la dinámica de la formación de planetas y la evolución de los discos circunestelares.

Los datos utilizados en este trabajo se adquirieron con el instrumento JWST/MIRI a través del programa PID 2260 del Ciclo 1 de Observadores Generales (PI: I. Pascucci). El equipo de investigación incluye a Naman Bajaj (estudiante de posgrado), la profesora Ilaria Pascucci, la Dra. Uma Gorti, el profesor Richard Alexander, el Dr. Andrew Sellek, la Dra. Jane Morrison, el profesor Andras Gaspar, la profesora Cathie Clarke, Chengyan Xie (estudiante de posgrado) y la Dra. Giulia Ballabio y Dingshan Deng (estudiante de posgrado).

Más información:
Naman S. Bajaj et al, Observaciones de JWST MIRI MRS T Cha: descubrimiento de un viento de disco resuelto espacialmente, La revista astronómica. (2024). DOI: 10.3847/1538-3881/ad22e1

Desarrollado por el Instituto SETI

Cita: El telescopio espacial James Webb captura el final de la formación de planetas (4 de marzo de 2024) recuperado el 5 de marzo de 2024 de https://phys.org/news/2024-03-james-webb-space-telescope-captures.html

Este documento está sujeto a derechos de autor. Excepto para uso legítimo para estudios privados o fines de investigación, ninguna parte puede reproducirse sin permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente a título informativo.

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Una señal de alerta desde la Antártida

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Una señal de alerta desde la Antártida

En esta ilustración, el agua de mar fluye profundamente por debajo de la superficie hacia una falla de hielo que se abre activamente en la Antártida. Una nueva investigación muestra que estas fallas pueden abrirse muy rápidamente y que el agua de mar que las atraviesa ayuda a controlar la velocidad a la que se rompe la plataforma de hielo. Crédito: Rob Soto

Hay suficiente agua congelada en los glaciares de Groenlandia y la Antártida que, si se derritieran, los mares globales aumentarían varios metros. Lo que sucederá con estos glaciares en las próximas décadas es la mayor incógnita en lo que respecta al aumento del nivel del mar, en parte porque la física de la fractura de los glaciares aún no se comprende completamente.

Una cuestión crucial es hasta qué punto el calentamiento de los océanos podría provocar que los glaciares se rompieran más rápidamente. Universidad de Washington Los investigadores han demostrado la ruptura a gran escala más rápida conocida a lo largo de una plataforma de hielo antártica. El estudio, publicado recientemente en Progreso de la AGU, muestra que en 2012 se formó una grieta de 10,5 kilómetros en el glaciar Pine Island, una plataforma de hielo en retroceso que contiene la capa de hielo más grande de la Antártida occidental, en aproximadamente 5 1/2 minutos. Eso significa que la falla se abrió a unos 35 metros (115 pies) por segundo, o unas 80 millas por hora.

«Este es el evento de apertura de fallas más rápido que conocemos que se haya observado jamás», dijo la autora principal Stephanie Olinger, quien realizó el trabajo como parte de su investigación doctoral en la Universidad de Washington y en la Universidad de Harvard, y ahora es investigadora postdoctoral en Universidad Stanford. . “Esto demuestra que, en determinadas circunstancias, un témpano de hielo puede romperse. Esto nos dice que debemos estar atentos a este tipo de comportamiento en el futuro y nos dice cómo podríamos describir estas fracturas en modelos de capas de hielo a gran escala.

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La importancia de la formación de fisuras

Una falla es una grieta que atraviesa aproximadamente 300 metros de hielo flotante en una típica plataforma de hielo antártica. Estas grietas son precursoras del desprendimiento del hielo marino, en el que grandes trozos de hielo se desprenden de un glaciar y caen al mar. Este tipo de fenómenos ocurren a menudo en el glaciar Pine Island, el iceberg observado en el estudio se separó del continente hace mucho tiempo. .

Imagen satelital de la Falla

Las imágenes de satélite tomadas el 8 de mayo (izquierda) y el 11 de mayo (derecha), con tres días de diferencia en 2012, muestran una nueva fisura que forma una «Y» que se ramifica a la izquierda de la grieta anterior. Tres instrumentos sísmicos (triángulos negros) registraron vibraciones que se utilizaron para calcular velocidades de propagación de la grieta de hasta 80 millas por hora. Crédito: Olinger et al./AGU Advances

“Las plataformas de hielo ejercen una influencia estabilizadora muy importante sobre el resto de la capa de hielo de la Antártida. Si una plataforma de hielo se rompe, el hielo del glaciar detrás de ella realmente se acelera”, dijo Olinger. «Este proceso de ruptura es esencialmente la forma en que las plataformas de hielo de la Antártida dan lugar a grandes icebergs».

En otras partes de la Antártida, las fallas suelen desarrollarse durante meses o años. Pero puede suceder más rápidamente en un paisaje que cambia rápidamente como el glaciar Pine Island, donde los investigadores creen que ya se ha formado la capa de hielo de la Antártida occidental. ha pasado un punto de inflexión cuando colapsó en el océano.

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Desafíos de observar los cambios glaciales

Las imágenes de satélite proporcionan observaciones continuas. Pero los satélites en órbita sólo pasan por cada punto de la Tierra cada tres días. Lo que sucede durante esos tres días es más difícil de precisar, particularmente en el peligroso paisaje de la frágil plataforma de hielo de la Antártida.

Para el nuevo estudio, los investigadores combinaron herramientas para comprender cómo se formó la falla. Utilizaron datos sísmicos registrados por instrumentos colocados en el témpano de hielo por otros investigadores en 2012 con observaciones de radar desde satélites.

El hielo de un glaciar actúa como un sólido en escalas de tiempo cortas, pero se parece más a un líquido viscoso en escalas de tiempo largas.

“¿El rifting es más como romper un vidrio o desarmar Silly Putty? Ésa era la cuestión”, dijo Olinger. «Nuestros cálculos para este evento muestran que fue más bien una rotura de vidrio».

El papel del agua de mar y la investigación futura.

Si el hielo fuera un material simple y frágil, debería haberse roto aún más rápido, dijo Olinger. Investigaciones posteriores resaltaron el papel del agua de mar: el agua de mar en las fallas mantiene el espacio abierto contra las fuerzas internas del glaciar. Y como el agua de mar tiene viscosidad, tensión superficial y masa, no puede llenar el vacío instantáneamente. En cambio, la velocidad a la que el agua de mar llena la fisura que se abre ayuda a frenar la propagación de la grieta.

«Antes de que podamos mejorar el rendimiento de los modelos de capas de hielo a gran escala y las proyecciones del aumento futuro del nivel del mar, necesitamos tener una buena comprensión basada en la física de los diferentes procesos que influyen en la estabilidad de la plataforma de hielo», dijo Olinger. .

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Referencia: “El acoplamiento oceánico limita la velocidad de ruptura del evento de propagación de ruptura de la plataforma de hielo más rápido observado” por Stephanie D. Olinger, Bradley P. Lipovsky y Marine A. Denolle, 5 de febrero de 2024, Progreso de la AGU.
DOI: 10.1029/2023AV001023

La investigación fue financiada por la Fundación Nacional de Ciencias. Los coautores son Brad Lipovsky y Marine Denolle, ambos miembros de la facultad de ciencias terrestres y espaciales de la Universidad de Washington que comenzaron a asesorar el trabajo en la Universidad de Harvard.

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