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¿Se aplica el término "materia oscura" a los cuerpos no luminiscentes que siguen interactuando electromagnéticamente?

En el nuevo Astronomía.SE sitio, estaba teniendo una pequeña discusión sobre una de mis respuestas. La discrepancia básica era: ¿pueden los MACHOs como los agujeros negros/enanas marrones/estrellas de neutrones ser denominados "materia oscura"?

Mi razonamiento es que estos objetos no irradian radiación EM por sí mismos, pero sí gravitan, por lo que constituyen una pequeña parte de la materia oscura total del universo. Estoy de acuerdo en que hay mucha materia oscura que no

En otras palabras, ¿puede aplicarse el término "materia oscura" a los cuerpos no radiantes (o débilmente radiantes) que siguen participando en la interacción electromagnética (bariónica o no)? ¿O es necesario que toda la materia oscura no interactúe electromagnéticamente?

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Esa es una buena pregunta. Los MACHO ciertamente constituyen una parte de la "materia perdida" necesaria para explicar las curvas de rotación galáctica (aunque una parte minoritaria), pero en estos días la "materia oscura" parece reservarse para las cosas exóticas que no participan en la interacción electromagnética. Sólo que nunca he visto una definición autorizada. Por cierto, ¿quién constituiría una autoridad en este momento?

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Para una definición autorizada sobre su influencia en la evolución del universo, véase casi cualquier libro de texto de cosmología moderna. Mis favoritos son Modern Cosmology, de Scott Dodelson, o Cosmological Physics, de John A. Peacock.

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PhonicUK Puntos 146

Sé que hemos tenido esta discusión en el sitio de Astronomía SE, pero permítanme tratar de elaborar mi respuesta.

La materia oscura es un componente del universo totalmente diferente de la materia bariónica. Sin embargo, provoca la misma dinámica general cuando se trata del universo en su conjunto. Lo que quiero decir con esto es que el parámetro de Hubble:

$$ H(a) = H_0 \sqrt{\frac{\Omega_{m}}{a^{3}} + \frac{\Omega_{\gamma}}{a^{4}} + \Omega_{\Lambda} } $$

sigue siendo el mismo. En consecuencia, la edad del universo, el tiempo de retorno a los objetos del universo, la distancia a cosas como el horizonte cosmológico, el CMB, ..., todas estas cosas siguen siendo las mismas, ya que:

$$ \Omega_{m} = \Omega_{b} + \Omega_{cdm}$$

PERO, puede que te preguntes entonces: ¿Qué hace cambiar si se modifica la relación entre la materia oscura y la materia bariónica? La respuesta es que, estadísticamente, la estructura sería diferente. El espectro de potencia del universo tendría un aspecto considerablemente diferente. A continuación se muestra una imagen del espectro de potencia medido por el satélite Planck (en rojo las observaciones y en verde la predicción del modelo cosmológico LCDM).

Planck PS

Lo que realmente cambia en esta imagen (si se ajustara a mano la relación entre la materia oscura y la materia total) son las alturas relativas de los picos en el espectro de potencia. Esto se debe a que el "frío" de la materia oscura fría surge del hecho de que la materia oscura no interactúa electromagnéticamente y, por lo tanto, en el universo primitivo, se enfrió más rápidamente que la materia bariónica, formando sobredensidades en el universo primitivo en las que la materia bariónica caería más tarde y formaría las estructuras que vemos hoy. Si la materia oscura estuviera realmente compuesta por cosas como las estrellas de neutrones y las enanas marrones (como decís tanto aquí como en la SE de Astronomía), que están absolutamente compuestas por material que puede descomponerse en quarks, entonces os veríais obligados a concluir que el universo primitivo no tenía ese componente de materia oscura. Esto te daría una totalmente diferente espectro de potencia, y sería absolutamente inconsistente con el espectro de potencia que hemos medido observacionalmente.

La alternativa, es que nuestras teorías están equivocadas, y que hay es no hay tal componente en el universo que se comporta igual que la materia regular gravitacionalmente, pero que no interactúa electromagnéticamente. Esta es absolutamente una posibilidad. Otra posibilidad es que la materia oscura esté compuesta por partículas que sí sabemos que existen, pero que tienen masa y, además, deben ser neutras (las partículas neutras no interactúan a través de la fuerza electromagnética); por eso se han propuesto varios tipos de neutrinos (o simplemente neutrinos, si tienen las masas adecuadas) como posibles candidatos a partículas de materia oscura.

Cosas como las estrellas de neutrones, las enanas marrones y blancas, son todos los productos finales de las estrellas de la secuencia principal, que se componen de varios gases, que son, por supuesto, átomos. No importa lo débiles que sean en realidad, son característicamente diferentes de lo que pensamos que es la materia oscura. Por cierto, tu afirmación de que no emiten radiación EM por sí mismas es simplemente incorrecta. Sí emiten fotones. Los púlsares son estrellas de neutrones que giran rápidamente y están muy magnetizadas, y las enanas marrones y blancas son muy débiles porque se han desplazado fuera de la secuencia principal en el diagrama H-R, y por tanto no están fusionando elementos al mismo ritmo que antes.

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Creo que, de nuevo, estamos llegando a la misma cuestión. No estoy diciendo que DM es bariónico. Los argumentos que aportas refutan esa afirmación, que no es la que yo hago. Me pregunto si está bien decir que los MACHOs conforman un parte del DM en el universo. (ver también: Comentario de dmckee ). Sin embargo, parece que el significado del término ha cambiado a lo largo de los años para excluir a los MACHO.

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Disculpas por la afirmación de la radiación EM, quise decir "débil". ¿Tienes alguna referencia que dé una definición de DM que excluya los MACHOs? (Veo los libros en el comentario anterior, una cita estaría bien) Gracias :)

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Para aclarar: se trata de una cuestión terminológica. Los argumentos físicos no tienen realmente sentido en este contexto porque dependen fundamentalmente de la terminología utilizada, que es lo que estoy cuestionando.

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Niels Bosma Puntos 200

No sé qué constituiría exactamente una respuesta aceptable a esta pregunta, pero siempre he entendido que la materia oscura es cualquier materia no radiante, como los agujeros negros. Probablemente mi opinión no cuente mucho. Aquí está wikipedia . Se habla claramente de materia oscura bariónica, por lo que la materia oscura no se refiere sólo a los WIMP o a cosas más exóticas; también puede referirse a los bariones.

Pero ya sabes que el lenguaje puede ser una cosa curiosa. Tal vez alguien podría generar uno de estos mapas diciendo si la materia oscura puede ser de naturaleza bariónica.

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En los últimos años se habla de la física del "sector oscuro", que excluye definitivamente los grumos fríos y densos de la materia ordinaria. Mi sensación personal es que se ha producido un cambio en el uso junto con el aumento de ese término. Por supuesto, su opinión puede variar.

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Creo que si se especifica cuando se habla de la materia, y se dice "materia oscura bariónica", eso podría incluir absolutamente a los MACHOs, pero si se trata de un cosmólogo, realmente hay una diferencia. Véase mi respuesta más abajo.

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@astromax Ah, ¿entonces depende del contexto? Para un no cosmólogo; el DM bariónico es una parte del DM pero para un cosmólogo cuando se menciona el DM se entiende que es más exótico? Interesante...

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Rob Jeffries Puntos 26630

En realidad hay DOS problemas de materia oscura y al menos dos componentes de la "materia oscura".

Los dos problemas de la materia oscura son (i) que la mayor parte de la materia del universo parece ser no bariónica y no interactúa con la materia bariónica (a no ser que sea muy débil); (ii) la mayor parte de la materia bariónica está aún por encontrar; la fracción que está en la materia luminosa asociada a las galaxias, etc., es demasiado pequeña.

El actual modelo de concordancia de la cosmología es que $\Omega_M \simeq 0.32$ - es decir, el 32% de la densidad crítica del universo está en forma de materia, tal y como se define a efectos de inserción en las ecuaciones de Friedmann. Por otra parte, también sabemos, gracias a las restricciones que proporciona el fondo cósmico de microondas y a las estimaciones de las abundancias primordiales de helio y deuterio, que la densidad de bariónico materia $\Omega_B \simeq 0.049$ (por ejemplo Colaboración Planck 2018 ). También estimamos que, si observamos la materia luminosa en el universo y la multiplicamos por una supuesta relación masa-luz, la cantidad de materia "luminosa" en el universo $\Omega_L \sim 0.01$ .

De ahí que haya dos problemas: la brecha entre $\Omega_M$ y $\Omega_B$ y la brecha entre $\Omega_B$ y $\Omega_L$ .

Esta última brecha puede estar cerrándose ahora debido al descubrimiento de medio intergaláctico caliente pero los remanentes compactos, los agujeros negros de tamaño estelar, las enanas blancas frías, las pelotas de golf perdidas, etc., también son candidatos a rellenar el $\Omega_B-\Omega_L$ brecha. Numerosas fuentes han puesto restricciones bastante fuertes a estas cosas, al menos en cuanto a la estimación de su contribución a la materia oscura galáctica; y es probable que sean contribuyentes muy pequeños. Se clasificarían como materia oscura bariónica y son oscuras sólo en el sentido de que son débiles/indetectables con la tecnología actual (aunque en el caso de los agujeros negros, eso siempre será así). Se forman a partir de la materia bariónica que estaba presente en la época de la nucleosíntesis primordial. No pueden/deben contribuir a la materia oscura no bariónica.

A lo largo de los años se ha producido un cambio, proporcional a la exclusión gradual de varios candidatos bariónicos para la materia oscura, para referirse exclusivamente al componente no bariónico como "la materia oscura". Esta es una definición más precisa, ya que la materia oscura no bariónica no interactúa electromagnéticamente en absoluto.

Hay algunas zonas grises: los agujeros negros primordiales, por ejemplo. La convención general es que si los agujeros negros estaban allí durante la época de la nucleosíntesis, entonces no pueden haber contribuido bariónicamente a esa nucleosíntesis y son tratados como materia oscura no bariónica. Si se formaron después de la nucleosíntesis, entonces serían materia oscura bariónica. La grisura adicional surge porque los agujeros negros son ciertamente capaces de barrer algunos (pero no mucho) la materia oscura no bariónica después de que se hayan formado e incluso puede ser que las interacciones débiles permitan que la materia no bariónica quede atrapada en objetos densos y compactos como las enanas blancas y las estrellas de neutrones.

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