¿Podemos medir el efecto de la materia oscura en el espacio-tiempo?

Question

No soy físico ni matemático en absoluto, sólo tengo mucha curiosidad, así que perdona si es una pregunta tonta.

Ahora entiendo que podemos hacer observaciones astronómicas y decir: "Oh, el 85% de la gravedad en el universo está sin explicar, así que muy indirectamente, hemos detectado la materia oscura". Por cierto, creo que es mejor describir la gravedad oscura, porque no sabemos que es materia, pero divago.

Por lo que entiendo que el problema para detectar estas cosas es que no interactúan con la materia ordinaria, la misma de la que suelen estar hechos nuestros equipos de detección. ¿Es posible, en cambio, buscarla indirectamente, quizás por su efecto en el espacio-tiempo? Supongo que se podría decir que eso es lo que son las observaciones astronómicas, pero yo estoy pensando más bien en un aparato experimental. Algo diseñado específicamente para detectar -y sólo detectar- partículas de materia oscura (si es que son eso), de modo que cuando una pasa volando, se observa su firma inconfundible en el espaciotiempo.

Sospecho que la respuesta será que el espaciotiempo no es algo que podamos ver o construir algo para monitorear de esta manera, o que el efecto de una sola partícula de materia oscura sería demasiado pequeño para observar en una región de sección del espaciotiempo, pero qué diablos...

¿Existe alguna forma de observar cómo una partícula de materia oscura tira del espacio-tiempo hacia un lado u otro? O tal vez algunos láseres o partículas que se interrumpen debido a un cambio en el espacio-tiempo que sólo puede ser explicado por la materia oscura que está cerca.

Answer 1

La materia oscura es un supersólido que llena el espacio "vacío", interactúa fuertemente con la materia ordinaria y es desplazada por ésta. Lo que se denomina geométricamente como espaciotiempo curvo existe físicamente en la naturaleza como estado de desplazamiento de la materia oscura supersólida. El estado de desplazamiento de la materia oscura supersólida es gravedad.

La materia oscura supersólida desplazada por una galaxia empuja hacia atrás, provocando que las estrellas de los brazos exteriores de la galaxia orbiten alrededor del centro galáctico al ritmo que lo hacen.

Materia oscura supersólida desplazada es espacio-tiempo curvo.

La sonda gravitatoria B de la NASA confirma dos teorías de Einstein sobre el espacio-tiempo

Imagina la Tierra como si estuviera sumergida en miel. Al girar el planeta, la miel se arremolinaría a su alrededor, y lo mismo ocurre con el espacio y el tiempo

La miel tiene masa y también la materia oscura supersólida. El remolino es el estado de desplazamiento de la materia oscura conectada y vecina a la Tierra.

La materia oscura supersólida desplazada por la Tierra, empujando y ejerciendo presión hacia la Tierra, es gravedad.

Answer 2

Para empezar, lo que se llama "oscuridad" en los mapas cosmológicos, son dos cosas, energía y masa.

Estimación de la división de la energía total del universo en materia, materia oscura y energía oscura basada en cinco años de datos del WMAP.

La materia luminosa que nuestros detectores pueden ver a partir de la copiosa luz emitida es menos del 5% de la masa y la energía necesarias para describir las observaciones. La materia oscura se lleva el 23% y el resto es energía oscura. Todas estas observaciones son el resultado de ver cómo se mueve la masa luminosa de las estrellas, las galaxias y los cúmulos de galaxias, y de ajustar el movimiento con un modelo newtoniano para los "tamaños pequeños", como las curvas de rotación de las galaxias, y con la relatividad general para el conjunto de la cosmología. Big Bang modelo.

Su pregunta sobre las partículas que componen la materia oscura se refiere a menos del 23% de la masa/energía del universo. La energía oscura es una historia diferente, que no se refiere a las partículas, sino a la observación del movimiento acelerado de los cúmulos de galaxias.

Hay varios modelos para la materia oscura: desde pequeños planetas que no irradian luz, hasta microagujeros negros primordiales, pasando por las partículas de interacción débil dominantes, WIMPS formando un halo alrededor de las galaxias y cúmulos de galaxias. Interactúan débilmente porque no arrojan suficiente luz para ser detectadas por nuestros instrumentos.

Sí, hay una serie de experimentos diseñado para medir los WIMPS y depende del modelo que se utilice para modelar las partículas. Por el momento se dan límites a la existencia de dichas partículas.

Ahora bien, este concepto suyo :

Algo específicamente diseñado para detectar -y sólo detectar- partículas de materia oscura (si es que son eso), de modo que cuando una pasa volando, se observa su inconfundible firma en el espacio-tiempo.

se cumple en estos experimentos, porque el espacio-tiempo es generado por la energía y las masas de la región, por lo que se puede decir que todas las mediciones son efectos en el espacio-tiempo :). Esta no es la forma en que nosotros, los experimentalistas, lo vemos, porque las medidas/unidades del espacio tiempo de los efectos de las partículas necesitarían enormes exponenciales negativos. Nosotros optamos por utilizar las mediciones cotidianas de energía y momento para declarar un límite o anunciar un descubrimiento.

Answer 3

Si lo he entendido bien, estás preguntando si es factible construir un experimento que mida la fuerza gravitatoria (que es a lo que te refieres cuando dices "su efecto en el espaciotiempo", creo) de una partícula de materia oscura cuando pasa por el detector. No sabemos la masa de la partícula de materia oscura, pero hay una serie de conjeturas bien motivadas sobre el rango en el que podría estar. Lo mejor es elegir una pesada para maximizar el efecto, así que vamos con una $100\,{\rm GeV}$ WIMP. A los físicos de partículas les gusta hablar de masas en unidades de energía por alguna razón; una rápida conversión da $1.7\times 10^{-25}\,{\rm kg}$ o $\sim100\times$ la masa de un protón. Digamos que pasa muy cerca del detector. A una distancia de $1\,{\rm mm}$ ejercerá una aceleración gravitacional sobre el detector de aproximadamente $10^{-29}\,{\rm m}\,{\rm s}^{-2}$ . Vale, es un número pequeño, pero ¿cómo de pequeño?

A $1000\,{\rm kg}$ coche en el otro lado del mundo ( $10\,000\,{\rm km}$ ) de su detector ejerce una aceleración gravitacional de $10^{-22}\,{\rm m}\,{\rm s}^{-2}$ en él. Eso es más de un millón de veces la aceleración debida a la partícula de materia oscura. Cuando ese coche se mueva, provocará un cambio de aceleración en su detector. Por supuesto, esto se verá diferente del cambio que esperarías de una partícula de materia oscura pasando cerca; cambiará más lentamente. Pero añade un poco de ruido que se interpone en la señal que quieres medir. Básicamente, vas a tener que controlar toda la masa del mundo entero (un gorrión a una distancia de $100\,{\rm km}$ también empequeñece su señal, por cierto) y cómo se está moviendo, entonces intenta modelar eso y eliminar el ruido de todo ello antes de llegar a la señal deseada. No es factible. Poner tu detector en el espacio tampoco ayudará. Los granos de polvo o los rayos cósmicos que pasan por allí también aportarán mucho ruido.

Answer 4

La materia oscura no sólo no interactúa con la materia "ordinaria", sino que, como no emite fotones (o algún equivalente), no se agrupa como lo hace la materia ordinaria. Así que no hay equivalentes de materia oscura de soles, planetas, nebulosas, etc.

Detectar partículas individuales de materia oscura sólo a partir de sus efectos gravitatorios sería enormemente difícil, como se describe en otras respuestas. Así que nos queda detectar los efectos gravitatorios de la materia oscura a gran escala (galáctica y supergaláctica). Y así es exactamente como sabemos que la materia oscura existe: analizando los movimientos a gran escala de las estrellas en las galaxias y de las galaxias en los cúmulos de galaxias.