Vladimir Avila-Reese Instituto de Astronomía, UNAM

Vladimir Avila-Reese Instituto de Astronomía, UNAM

Materia invisible en el
Universo
Vladimir Avila-Reese
Instituto de Astronomía, UNAM
Reunión “Ciencia y Humanismo”, AMC
Enero 2012
Las grandes preguntas de la cosmología
~1920
COSMOLOGY
Evolution
Composition
Volume
Structures
(geometry)
Stationary
Expansion
?
Luminous matter
Unseen matter
?
Finite (closed)
Infinite (flat, open)
• Hace ~90 años el Universo se reducía a un
conglomerado de estrellas y nebulosas (Vía
Láctea) en estado estacionario.
•
?
Stars & nebulae
(one Milk Way)
Many galaxies
?
Las grandes preguntas de la cosmología
~2012
COSMOLOGY
Evolution
Composition
Volume
Structures
(geometry)
Stationary
Expansion
X

Luminous matter
Unseen matter ?
Finite (closed)
Infinite (flat)
• Hace ~90 años el Universo se reducía a un
conglomerado de estrellas y nebulosas (Vía
Láctea) en estado estacionario.
• TGR de Einstein --> ec. de Friedmann para la
dinámica del Universo + descubrimiento y
cinemática de las galaxias (Hubble) = universo
en expansión, evolución de sus componentes
materiales y energéticas --> teoría de la GE.
?
Stars & nebulae
(one Milk Way)
X
Many galaxies 
Las grandes preguntas de la cosmología
COSMOLOGY
Evolution
Composition
Volume
~2012
Structures
(geometry)
Stationary
X
Luminous matter
Finite (closed)
(one Milk Way)
(a tiny fraction )
Expansion

Unseen matter  
Stars & nebulae
Infinite (flat)  
Many galaxies 
Last decade: high-precision cosmology (astronomy)
Expansion rate:
• Desacelereting
• Accelerating 
☟
dark energy?
•DM density is ~5x
BM density
• DE density is ~3x
DM density
X
¡Un universo invisible¡
22.5%
materia oscura
73%
energía oscura
(atractiva)
(repulsiva e uniforme)
4.5%
materia bariónica
(atractiva)
Las grandes preguntas de la cosmología
COSMOLOGY
Evolution
Composition
Volume
~2012
Structures
(geometry)
Stationary
X
Luminous matter
Finite (closed)
(one Milk Way)
(a tiny fraction )
Expansion

Unseen matter  
Stars & nebulae
Infinite (flat)  
X
Many galaxies 
Last decade: high-precision cosmology (astronomy)
Expansion rate:
• Desacelereting
• Accelerating 
☟
•DM density is ~5x
BM density
• DE density is ~3x
DM density
dark energy?
What’s the nature of DM and DE? A question of macro and micro cosmos
• Filamentary
large-scale
structure
formation and
evolution of cosmic
structures
Evidencias
observacionales de
materia oscura
Zwicky (33, 37)
Movimiento orbital desordenado
Dinámica newtoniana
(eq. virial)
-Dispersión de velocidades medida: σ~1000 km/s.
-Mlum estimada de sumar las masas estelares de
todas las galaxias (hoy se sabe que el gas en rayos X es
>2 veces más masivo que todas las galaxias del cúmulo)
Zwicky (33, 37)
Movimiento orbital desordenado
Dinámica newtoniana
(eq. virial)
-Dispersión de velocidades medida: σ~1000 km/s.
-Mlum estimada de sumar las masas estelares de
todas las galaxias (hoy se sabe que el gas en rayos X es
>2 veces más masivo que todas las galaxias del cúmulo)
¡Materia escondida!
Zwicky
Zwicky (33, 37)
Movimiento orbital desordenado
Dinámica newtoniana
(eq. virial)
-Dispersión de velocidades medida: σ~1000 km/s.
-Mlum estimada de sumar las masas estelares de
todas las galaxias (hoy se sabe que el gas en rayos X es
>2 veces más masivo que todas las galaxias del cúmulo)
¡Materia escondida!
Zwicky
50’s-60’s -- dinámica orbital de pares y grupos de
galaxias: Mdin >> suma de Ms, incluso exagerando
en el cociente Ms/L.
70-80’s
gas HI-->
Movimiento ordenado de rotación
70-80’s
gas HI-->
Movimiento ordenado de rotación
Dinámica newtoniana
a mass distribution
should be assumed
From L distribution + a
‘reasonable’ M/L ratio
Vr2
(eq. centrífugo)
70-80’s
gas HI-->
Movimiento ordenado de rotación
Dinámica newtoniana
a mass distribution
should be assumed
From L distribution + a
‘reasonable’ M/L ratio
Vr2
(eq. centrífugo)
-Trazadores dinámicos
externos: gas HI, cúmulos
globulares, satélites ➟ ¡la
masa sigue creciendo!
HALO OSCURO (15-20
veces más extendido que el
disco óptico)
Relajación de suposiciones
de mov. circular, determinaciones independientes del
cociente Ms/L, mayor
precisión observacional,
etc.: confirmación
80-90’s
Al Ropt, el cociente de masa oscura a luminosa
es desde 1 (gal’s masivas y concentradas) hasta
10 (gal’s enanas y difusas)
Al Rvir, el cociente es
Enormes halos de MO.
desde 20 hasta 100!
Hacia el centro, la cantidad de MO podría
hacerse muy pequeña (halo con núcleo suave)
80-90’s
¿Se podrá detectar materia sin usar trazadores luminosos?
Técnica de lente gravitatoria: mapeo directo de la masa
Relatividad General
Lente fuerte
Arcos, anillos (cúmulos o gal’s masivas)
Lente débil
-Deformaciones
tangenciales de gal’s
de fondo (estadístico)
-Millones de gal’s de
fondo--> tomografía
de la distr. de masa
cósmica (LSST: 109 gal’s,
105 cúmulos hasta z~1)
Analisis con lente débil del
SDSS:
galaxias tipo Vía Láctea o más
grandes están inmersas en
halos de MO ~20-30 veces
más masivos que sus masas
estelares. (Mandelbaum+ 06)
)
s
o
s
ino
m
u
l
s
ore
ic
m
á
Din
d
a
z
a
a (tr
>2000
curvatu
ra del e
-t (mas
a diréc
tament
e)
...Y pa’ encausar el río:
Abundancia de elementos ligeros + BBN
cosmología de alta precisión (>2000)
Ωb=0.045
Picos de las anisotropías de la RCF
...Y pa’ encausar el río:
ico
rp
me
Pri
k=
nám
F: Ω
ica
RC
Ωm a gra
=0 n e
.27 sca
la
Ωb=0.045
Picos de las anisotropías de la RCF
0
Di
Abundancia de elementos ligeros + BBN
cosmología de alta precisión (>2000)
SNIa, ERG, OBA: ΩΛ=0.73
...Y pa’ encausar el río:
cosmología de alta precisión (>2000)
Modelo
Ω =0.045 de MOF con Λ
b
Picos de las anisotropías de la RCF
Ωm a gra
=0 n e
.27 sca
la
ico
rp
me
Pri
ΩDM = 0.225
0
ica
nám
SNIa, ERG, OBA: ΩΛ=0.73
k=
bariones perdidos)
F: Ω
(en las galaxias es 20-100 veces más:
RC
5 veces más
que Ωb=0.045
Di
Abundancia de elementos ligeros + BBN
Formación de
estructuras cósmicas:
necesidad de materia
oscura no bariónica
Primeras simulaciones numéricas de Ncuerpos (1973): los discos galácticos son
inestables (80% de las galaxias locales).
Añadiendo un halo masivo dinámicamente
caliente, sobreviven a las inestabilidades.
En la era caliente del Universo (t<trec), las
perturbaciones del plasma bariones+radiación
se amortiguan a escalas galácticas --> ¡se
borran las semillas para formar galaxias!
Evolución lineal de una perturbación de
bariones+radiación acopladas
mat.+rad. acopladas
fuera del
horizonte
Δ a2
• Oscilaciones
bariónicas acústicas
(gravedad vs ∇Prad)
dentro del
horizonte
☹
• Las oscilaciones
menores a 3×1013M⊙☉ se
amortiguan por difusión
fotónica hasta la
recombinación (Silk 1968)
• Perturbaciones
mayores, sobreviven
Δ -sobredensidad a una escala dada
Evolución lineal de una perturbación de
materia oscura fría (MOF)
mat.+rad. acopladas
fuera del
horizonte
Δ a2
•
dentro del
horizonte
☻o
• ¡La MO no
está acoplada a
la radiación!
Si domina la MO, entonces luego atrapa
gravitacionalmente a los bariones
Flujo libre: partículas relativistas viajan por sus
geodésicas a v≈c. Si pertenecen a una perturbación de
escala < ct ⇒ continúan fluyendo líbremente
y
amortiguan la perturbación. ¿Cuándo se vuelven no relativistas?
kTX ~mxc2;
TX∝1/a ∝t-1/2 ⇒ tn.r. ∝ 1/mX2
Origen de las perturbaciones: fluctuaciones cuánticas del vacío. Inflación --> fuera
del hor.--> perturbaciones a la métrica (clásicas) --> cruzan el hor. --> perturbaciones
de densidad.
Evolución gravitacional en el régimen lineal (RG).
Caracterización estadística del campo de pert.: σ(M) (exceso medio cuadrático de masa)
Caso de perturbaciones de MO fría dominante + bariones + radiación
Galaxias
∝1/InM
amplitud
amplitud
amplitud
∝1/InM
Origen de las perturbaciones: fluctuaciones cuánticas del vacío. Inflación --> fuera
del hor.--> perturbaciones a la métrica (clásicas) --> cruzan el hor. --> perturbaciones
de densidad.
Evolución gravitacional en el régimen lineal (RG).
Caracterización estadística del campo de pert.: σ(M) (exceso medio cuadrático de masa)
Caso de perturbaciones de MO fría dominante + bariones + radiación
oscilaciones
Galaxias
∝1/InM
bariónicas
amplitud
amplitud
amplitud
∝1/InM
380,000 años
1. RCF, fósil del Universo caliente: fluctuaciones de ΔT/T~10-4--5
Nuestro origen está aquí
(gracias a la MO no bariónica)
WMAP mission
1.RCF: Increible concordancia entre modelo y observaciones
RG + TGE + Infl. + evol.
grav. de perturbaciones
con dominio de MOF +Λ
¡Triunfo del intelecto
humano!
t=380,000 años
Escenario de MOF con Λ
2.Condiciones iniciales para la formación de estructuras cósmicas
CDM
σ(M)=<δM>/M
WDM
HDM
MOF: Sobreviven todas las escalas y
las menores tienen más amplitud -->
colapso gravitacional de lo chico a lo
grande (jerárquico)
2.Condiciones iniciales para la formación de estructuras cósmicas
CDM
•Evolución gravitacional del campo de
σ(M)=<δM>/M
WDM
HDM
MOF: Sobreviven todas las escalas y
las menores tienen más amplitud -->
colapso gravitacional de lo chico a lo
grande (jerárquico)
perturbaciones dominado por MOF -->
gravedad newtoniana en acción --> N
cuerpos en supercomputadoras.
•Primeras simulaciones: ~3x104
partículas. Actualmente: ~1010 , en cajas
de ~500 Mpc de lado!
Estructura a gran escala del
Universo: sólo MOF (pero ella atrapa
el gas y en el interior de los halos
oscuros se forman las galaxias que
trazan la distribución oscura).
Formación de la telaraña cósmica de materia
oscura fría: paredes, huecos, filamentos, nudos
(gravedad newtoniana en acción)
http://hipacc.ucsc.edu/Bolshoi/Movies.html#bsim
Simulación Bolshoi, Klypin et al. 11
La estructura
a gran escala
observada
con galaxias
es similar en
términos
estadísticos a
la predicha
Mapas recientes
de distribución
de masa a gran
escala con lente
débil muestran
diréctamente la
estructura
filamentaria de
la MO.
(telescopio CFTH,
van Waerbeke et al.
2012)
~100 Mpc
¿Cómo son las predicciones a escalas galácticas?
•
Gravedad de la MO + [hidrodinámica, formación y evolución
estelar, retroalimentación, hoyos negros supermasivos y
núcleos activos, etc.] (aún en pañales)
•
El escenario de MOF-Λ ofrece condiciones iniciales y de
frontera para la formación de galaxias, aparentemente
muy robustas. Nuestro grupo en la UNAM está a la
búsqueda de posibles inconsistencias.
Simulación numérica de galaxia tipo Vía Láctea
El reto: sondear el modelo de MOF a escalas galácticas y subgalácticas,
es la manera de comprobar dicho modelo a las escalas más pequeñas.
•
Posibles problemas: a) Halos muy concentrados al centro. b)
Demasiada subestructura (subhalos) --> modificaciones que no
alteren el escenario a escalas grandes.
•
MO tibia (perturbaciones subgalácticas se borran): ¡menos
subestructura, halos menos concentrados!
partículas: masivas
intermedias
livianas
inicio
presente
Estrecha y reveladora conexión entre
micro- y macro-cosmos
¿Qué es la MO?
•
Partículas no bariónicas que: interactúen sólo electrodébil y
•
Física de partículas: necesidad de ir más allá del modelo
estándard (MS)--> modelos supersimétricos (80-90’s)
•
Combinación lineal más ligera de part. supersimétricas: el
neutralino. ¡Es WIMP! mχ ~10-1000GeV. ¡Es MOF!
gravitacionalmente, neutras, sin carga de color, que no decaigan
en partículas ordinarias y que su densidad de reliquia sea del
orden de la cosmológica (WIMPs)
¿Qué es la MO?
•
Partículas no bariónicas que: interactúen sólo electrodébil y
•
Física de partículas: necesidad de ir más allá del modelo
estándard (MS)--> modelos supersimétricos (80-90’s)
•
Combinación lineal más ligera de part. supersimétricas: el
neutralino. ¡Es WIMP! mχ ~10-1000GeV. ¡Es MOF!
gravitacionalmente, neutras, sin carga de color, que no decaigan
en partículas ordinarias y que su densidad de reliquia sea del
orden de la cosmológica (WIMPs)
Astronomía + Cosmología + Fís. de Partículas
Detección de MO (WIMPs)
1. Directa: dispersión elástica con núcleos atómicos (rebote): blancos
bajo tierra o en minas.
CREST-II
CoGeNT
DAMA/Libra
2. Indirecta: aniquilación de WIMPs (rayos gamma, neutrinos, rayos
cósmicos). Regiones densas (centro de la
VL, enanas, cúmulos de gal’s).
¡Señal a 4.4s en el cúm. Virgo con Fermi!...
3. Producción de WIMPs en colisionadores (LHC; comprobación de la supersimetría).
HAWC en México
Nuevas componentes
¿Hacia dónde se dirige el río?
Teoría de Astropartículas
Nuevo Sector (oscuro)
•
Sería el cause natural del exitoso
escenario astrofísico/cosmológico de MOF
(o MOT) con Λ: RG + TGE + Inflación +
supersimetría o nuevo sector oscuro.
Requiere detectar la nueva componente.
•
Reveladora conexión entre micro y
macro-cosmos (nuevo paradigma)
Nuevas componentes
¿Hacia dónde se dirige el río?
Teoría de Astropartículas
Nuevo Sector (oscuro)
•
Sería el cause natural del exitoso
escenario astrofísico/cosmológico de MOF
(o MOT) con Λ: RG + TGE + Inflación +
supersimetría o nuevo sector oscuro.
Requiere detectar la nueva componente.
Nuevas leyes
Gravedad modificada o extendida
Multidimensiones
•Desenlace inesperado. Propuestas
motivadas por aspectos aislados: dinámica
de objetos astrofísicos o cosmología.
Requieren rehacer la teoría de formación de
estructuras y posiblemente la cosmología.
• Leyes más generales de la naturaleza
Reveladora conexión entre micro y
(paradigma revolucionario)
macro-cosmos (nuevo paradigma)
Estamos en el umbral de un cambio de paradigma científico. El escenario de MOF-Λ
desarrollado en la astrofísica/cosmología representa un buen ajuste a las observaciones
que cualquier alternativa debe reproducir. No hay conflictos, hay avances..
•