Astronomía

¿Se espera que los agujeros negros contengan la misma proporción de materia oscura a materia regular que el resto del universo?

¿Se espera que los agujeros negros contengan la misma proporción de materia oscura a materia regular que el resto del universo?


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¿Se espera que los agujeros negros contengan la misma proporción de materia oscura a materia regular que el resto del universo? Escuché que la materia oscura se distribuye en halos alrededor de las galaxias. ¿Eso hace que sea menos probable que sea ingerido en un agujero negro?


(Respuesta corta: No, desplácese hasta el último punto).

  • Es irrelevante para un observador externo si la materia que cayó en el agujero negro era materia oscura o bariónica, según el teorema de la ausencia de pelo. Las únicas propiedades de un agujero negro desde nuestro punto de vista son la masa, la carga eléctrica y el momento angular. (Pero, por supuesto, no entendemos la gravedad cuántica).
  • Desde el punto de vista de la materia que ha caído en el agujero negro, no ocurre nada especial al cruzar el horizonte de sucesos. Esto significa que la materia oscura permanece oscura y la materia bariónica permanece bariónica cuando se ve desde el interior del agujero negro.
  • Existe cierta controversia sobre la cantidad de materia oscura que existe en el universo. Este artículo reciente, por ejemplo, indica en abstracto que un modelado más preciso de las curvas de rotación galáctica podría eliminar un gran porcentaje de la materia oscura no bariónica esperada. (Tenga en cuenta, como @pela indicó en los comentarios, que los artículos de este autor no han sido revisados ​​por pares y podrían ser sospechosos). Obviamente, la cantidad de materia oscura en el universo afectaría enormemente la respuesta de la pregunta. Debo señalar que la controversia está compuesta principalmente por un pequeño número de científicos vocales que aparecen desproporcionadamente en los medios. Siguiendo las secciones de ciencia de las noticias principales, tengo la impresión de que la muerte de la materia oscura parece anunciarse una vez al mes aproximadamente.
  • La formación de agujeros negros supermasivos es poco conocida. Una hipótesis es que pueden formarse mediante sucesivas fusiones de agujeros negros de masa estelar. Como recientemente ha habido observaciones de ondas gravitacionales de tales fusiones, y como candidatos para agujeros negros de masa intermedia también se han observado recientemente, asumiré aquí que así es como se forman y que los agujeros negros supermasivos están hechos aproximadamente de la misma materia que agujeros negros de masa estelar.
  • Los agujeros negros pierden la mayor parte de su masa durante el proceso de formación. Es importante tener siempre en cuenta si estamos hablando de la masa del núcleo estelar que colapsó para formar el agujero negro (esta es a menudo la "masa" de un agujero negro a la que se hace referencia cuando se habla de, por ejemplo, el tamaño mínimo negro agujero que puede formarse a partir del colapso del núcleo) o la masa del agujero negro vista por un observador distante después de la supernova.
  • Las partículas de materia oscura no pueden perder mucha energía orbital al interactuar con otra materia ni por radiación, por lo tanto, permanecerán en órbita alrededor de un agujero negro en lugar de caer, a menos que ocurran por improbable posibilidad de golpearlo cerca del horizonte de eventos. Este artículo indica que los agujeros negros supermasivos simulados derivan no más del 10% de su masa de la materia oscura.

Sin embargo, hay que decir que algunos científicos sospechan que, en primer lugar, la materia oscura está formada por agujeros negros primordiales. También existe la teoría de MACHO (Massive Compact Halo Objects), que la materia oscura está compuesta de grandes cuerpos compactos como los agujeros negros, pero la mayoría cree que esta teoría no puede explicar la materia oscura en el universo.


La materia oscura está (se cree que está) en halos que se extienden tanto a los centros de las galaxias y fuera de la mayor parte de la materia normal en las galaxias (gas, estrellas, polvo). Entonces un agujero negro dentro de una galaxia podría e indudablemente ingiere alguna materia oscura. Sin embargo:

Los agujeros negros de masa estelar se forman a partir del colapso del núcleo de una estrella masiva. Dado que las estrellas son casi en su totalidad de materia regular, el remanente de BH formado inicialmente estaría compuesto casi en su totalidad por materia regular. Dichos BH podrían crecer más tarde mediante la acumulación de gas (por ejemplo, de una estrella compañera binaria cercana), en cuyo caso están ganando masa en forma de materia regular. Inevitablemente habría algunos materia oscura tragada por el BH mientras orbitaba dentro de su galaxia madre, al igual que el BH tragaría algo de polvo interestelar, por ejemplo. Pero aún estaría formado de manera abrumadora por materia regular.

Los agujeros negros supermasivos en los centros de las galaxias probablemente comenzarían a partir de algún tipo de colapso en el universo temprano de una nube de gas o una estrella muy masiva, que nuevamente sería en su mayoría materia regular. El crecimiento posterior de BH supermasivos proviene principalmente del gas interestelar que alimenta un disco de acreción alrededor del BH, más la estrella ocasional que se acerca demasiado, por lo que, una vez más, es principalmente materia regular la que cae en el agujero negro. (Las regiones centrales de las galaxias hacer tienen algo de materia oscura, pero están dominados por la materia regular. Además, la materia regular en forma de nubes de gas puede perder energía fácilmente a través de colisiones nube-nube y hundirse en el centro de la galaxia, donde podría alimentar a un BH supermasivo; la materia oscura no puede hacer esto).

(Por supuesto, como señala el usuario 25972, es en gran medida irrelevante para los forasteros como nosotros qué tipo de materia entra en hacer un BH. Un agujero negro formado a partir de materia oscura se comportaría de manera idéntica a uno formado a partir de materia regular).


¿Se espera que los agujeros negros contengan la misma proporción de materia oscura a materia regular que el resto del universo? - Astronomía

Las galaxias nacen de fluctuaciones primordiales con una evolución probablemente impulsada por la gravitación como efecto dominante. La gravitación, como concepto geométrico, tiene el mismo efecto sobre los diferentes tipos de partículas. Algunas fuerzas distintas a la gravitación, como la interacción con fotones, efectos disipativos, campos magnéticos, etc., también podrían influir y actuar sobre las partículas involucradas de manera diferencial, pero una tendencia general a que las galaxias y los cúmulos tengan una composición similar a la Es de esperar la composición general del Universo.

Nuestro conocimiento sobre la composición del Universo ha cambiado en los últimos tiempos con respecto a la visión clásica, resumida, por ejemplo, por Schramm (1992). Esta nueva concepción ha sido revisada, por ejemplo, por Turner (1999a, b). Se considera que la materia dominante es la materia oscura fría (CDM), constituida por partículas que se mueven lentamente, por lo que la densidad de energía CDM se debe principalmente a la masa en reposo de la partícula, existiendo una gran serie de candidatos a partículas CDM, pero axiones y neutralinos. siendo las posibilidades más atractivas.

Los estudios de nucleosíntesis del Big Bang han podido determinar con precisión la densidad de bariones como (0.019 & # 1770.0012) h -2. La densidad de bariones de racimo también ha sido determinada con precisión por rayos X y el efecto Sunyaev-Zeldovich es f B = (0.07 & # 1770.007) h -3/2 y, asumiendo que los racimos ricos proporcionan una muestra justa de materia en el Universo , también / = f B, de donde se sigue = (0.27 & # 1770.05) h -1/2. Sin embargo, el Universo es plano, = 1, siendo el espectro CMB un indicador sensible. Por lo tanto = 1 = +, donde

0,7 representa la contribución de la energía del vacío, o más bien, la contribución del término cosmológico. Con este alto valor del Universo debería estar en expansión acelerada, lo cual ha sido confirmado por el estudio de supernovas de alto corrimiento al rojo, que también sugieren

0,7 (Perlmutter, Turner y White, 1999 Perlmutter et al. 1999). Se estima que la materia estelar o visible es = 0,003 - 0,006. Todos estos valores se pueden escribir en una lista más fácil de recordar, con valores compatibles con las cifras anteriores, adoptando los valores de H 0 = 65 kms -1 Mpc -1 h = 0,65:

menos precisa pero útil para cálculos exploratorios rápidos.

Un grupo grande debería tener más o menos esta composición, incluido el halo, por supuesto, incluso si un halo pudiera contener varias concentraciones bariónicas o simplemente ninguna. Por lo tanto, una primera aproximación directa al problema sugiere que los halos no son bariónicos, siendo la materia bariónica un constituyente menor.

Este es también el punto de vista asumido por la mayoría de los modelos teóricos actuales (esto se considerará más adelante, en la sección 4.2.2), que siguen los artículos seminales de Press y Schechter (1974) y White y Rees (1978). Avanzamos en el comentario de que, en estos modelos, una materia oscura fría no disipativa sin colisiones dominante es el ingrediente principal de los halos, mientras que los bariones, probablemente simplemente gas, constituyen el componente disipativo, capaz de enfriar, concentrar, fragmentar y producir estrellas. Se puede retener algo de gas mezclado en el halo y, por lo tanto, los halos estarían constituidos por materia no bariónica más pequeñas cantidades de gas, su fracción disminuyendo con el tiempo, mientras que las fusiones y la acreción proporcionarían cantidades crecientes a los discos y protuberancias visibles. Por lo tanto, un primer enfoque sugiere que la materia oscura galáctica es principalmente no bariónica, lo que se consideraría como la descripción estándar. Los bariones, y por lo tanto la materia visible, pueden no haberse condensado completamente dentro de un gran halo de DM y, por lo tanto, la relación barión / DM debería ser similar en los halos más grandes y en todo el Universo, aunque esta proporción podría ser diferente en las galaxias normales.

Sin embargo, también se han propuesto otras posibilidades interesantes. La fracción de materia visible / oscura galáctica depende mucho del tipo de galaxia, pero un valor típico podría ser 0,1. Esta es también aproximadamente la fracción de materia visible / bariónica en el Universo, lo que ha llevado a algunos autores a pensar que la materia oscura galáctica es bariónica (por ejemplo, Freeman, 1997) en cuyo caso los mejores candidatos serían nubes de gas, remanentes estelares u objetos subestelares. . Los remanentes estelares presentan algunos problemas: las enanas blancas requieren funciones de masa iniciales injustificadas, las estrellas de neutrones y los agujeros negros habrían producido mucho más enriquecimiento metálico. No podemos dar cuenta de las múltiples posibilidades exploradas. Los objetos subestelares, como las enanas marrones, son una identificación interesante de los MACHO, los objetos compactos que producen microlentes de estrellas en primer plano. Alcock y col. (1993), Aubourg et al. (1993) y otros han sugerido que los MACHOS podrían proporcionar una cantidad sustancial de materia oscura halo, hasta un 50-60% para masas de aproximadamente 0,25 M, pero los resultados dependen en gran medida del modelo asumido para la materia visible y oscura. componentes, y todavía son inciertos. Honma y Kan-ya (1998) argumentaron que si la Vía Láctea no tiene una curva de rotación plana de 50 kpc, las enanas marrones podrían representar todo el halo, y en este caso la masa de la Vía Láctea es de solo 1,1 & # 215 10 11 M.

Comentemos entonces brevemente la posibilidad de nubes de gas oscuro, como defienden Pfenniger y Combes (1994), Pfenniger, Combes y Martinet (1994) y Pfenniger (1997). Han propuesto que las galaxias espirales evolucionan de Sd a Sa, es decir, tanto la protuberancia como el disco aumentan y, al mismo tiempo, la relación M / L disminuye. Sd son más ricos en gas que Sa. Entonces es tentador concluir que la materia oscura se transforma gradualmente en materia visible, es decir, en estrellas. Luego, la materia oscura debe identificarse con gas. Entonces, ¿por qué no podemos ver ese gas? Tal escenario podría ser el caso si las nubes moleculares poseyeran una estructura fractal de 0.01 a 100 pc. Las nubes se fragmentarían en subgrupos más pequeños, densos y fríos, siendo la dimensión fractal 1,6-2. Los radiotelescopios milimétricos disponibles son incapaces de detectar nubes tan pequeñas. Esta hipótesis también explicaría la relación de Bosma entre la materia oscura y el gas (Sección 2.3), porque la materia oscura sería, de hecho, gas (el disco HI observable podría ser la atmósfera observable de las densas nubes moleculares). En este caso, la materia oscura debería tener una distribución en disco.

La identificación del gas del disco como materia oscura galáctica fue propuesta por primera vez por Valentijn (1991) y luego analizada por Gonz & # 225lez-Serrano y Valentijn (1991), Lequeux, Allen y Guilloteau (1993), Pfenniger, Combes y Martinet (1994). , Gerhard y Silk (1996) y otros. El H 2 podría estar asociado al polvo, produciendo una dependencia del color de la longitud de la escala radial compatible con grandes cantidades de H 2. Recientemente, Valentijn y van der Werf (1999) detectaron líneas rotacionales de H 2 a 28.2 y 17.0 m en NGC 891 a bordo de ISO, que son compatibles con la materia oscura requerida. De confirmarse, este experimento sería crucial, demostrando que un componente visible bariónico del disco es responsable de la curva de rotación anómala y la fragilidad de teorías aparentemente sólidas. La confirmación en otras galaxias podría ser difícil ya que el H 2 en NGC 891 parece ser excepcionalmente cálido (80-90 K).

Una distribución de disco es, de hecho, la declaración más audaz de este escenario. Olling (1996) ha deducido que la galaxia NGC 4244 tiene un destello que requiere un halo aplanado. Sin embargo, este análisis necesita muchas suposiciones teóricas, por ejemplo, la condición de equilibrio hidrostático vertical requiere una mayor justificación, particularmente considerando que NGC 4244 es una galaxia Scd, siendo las salidas verticales más importantes en las galaxias de tipo tardío. También se han utilizado urdimbres para deducir la forma del halo. Una vez más, Hofner y Sparke (1994) encontraron que solo una galaxia NGC 2903, de las cinco estudiadas, tenía un halo aplanado. En este trabajo se asume un modelo particular de urdimbre (Sparke y Casertano, 1988), pero existen otras alternativas (Binney 1991, 1992). El modelo de Sparke y Casertano parece fallar una vez que se tiene en cuenta la respuesta del halo a la precesión del disco (Nelson y Tremaine, 1995 Dubinski y Kuijken, 1995). Kuijken (1997) concluye que "quizás la respuesta esté en la generación magnética de urdimbres" (Battaner, Florido y Sánchez-Saavedra 1990). Por otro lado, si las deformaciones son una deformación de esa parte del disco que ya está dominada gravitacionalmente por el halo, la deformación del disco sería una consecuencia de las desviaciones de la simetría en el halo. Aislar las perturbaciones del disco incrustadas en un halo perfecto no perturbado no es realista. Se han hecho muchas otras propuestas para estudiar la forma del halo, la mayoría de las cuales se revisan en los artículos citados por Olling y en Ashman (1982), pero se han reportado formas muy diferentes (ver sección 3.4).

También existe la posibilidad de que se haya observado un componente de halo visible (Sackett et al. 1994 Rausher et al. 1997) pero debido a la dificultad de trabajar a estos niveles débiles, este hallazgo aún no se ha confirmado.

Muchos otros autores proponen que el halo es bariónico, incluso si se deben desarrollar nuevos modelos de formación y evolución galáctica (de Paolis et al. 1997). Esto se basa en parte en el hecho de que toda la materia oscura "observada" en galaxias y cúmulos podría explicarse únicamente por la materia bariónica. Bajo la interpretación de de Paolis et al. (1995) pequeñas nubes densas de H2 también podrían identificarse con materia oscura, e incluso ser responsables de la microlente, pero en lugar de distribuirse en el disco, se encontrarían en un halo esférico.


Teoría del fluido oscuro

La nueva teoría de Farnes dice que el 95 por ciento del cosmos está formado por un "fluido oscuro", y la materia oscura y la energía oscura son efectivamente ambos "síntomas" de ese fenómeno subyacente. Hace un buen trabajo al describir ambos, aunque requiere un poco de manipulación de números.

Este fluido oscuro debería tener masa negativa. Eso solo suena como un concepto de ciencia ficción: ¿cómo puede algo tener una masa de -1 kg? Pero según la física newtoniana es completamente posible, aunque todavía hipotético.

Algo que tiene masa negativa tendría algunas características bastante extrañas. Por un lado, las fuerzas se invierten, por lo que si empujara una bola con masa negativa, se aceleraría hacia tu mano, en lugar de alejarla de ella. Eso también significa que exhibe una especie de gravedad negativa, que repele otro material en lugar de atraerlo.

Si el cosmos está lleno de fluido oscuro, su gravedad negativa alejaría todo de todo lo demás, exactamente el fenómeno observado para el que se inventó la energía oscura. Mientras tanto, no es la atracción gravitacional de un halo de materia oscura lo que mantiene unidas a las galaxias, es el "empuje" negativo del fluido oscuro que las rodea. Las galaxias de materia regular son básicamente burbujas que flotan en un fluido cosmológico oscuro.


¿Cuántos de ustedes piensan que la materia oscura es solo un concepto erróneo?

Deseo saber más sobre los pensamientos de la gente con respecto al rechazo de la materia oscura como algo nuevo y desconocido en lugar de un concepto erróneo de algo que hemos pensado mal.

A continuación se muestra básicamente un enfoque histórico de por qué creemos en la materia oscura. También citaré este documento para el estudiante serio que quiera leer más, o que quiera revisar mis afirmaciones contra la literatura.

A principios de la década de 1930, un científico holandés llamado Jan Oort descubrió originalmente que hay objetos en las galaxias que se mueven más rápido que la velocidad de escape de las mismas galaxias (dada la masa observada) y concluyó que debe haber una masa inobservable que contenga estos objetos y publicó su teoría en 1932.

Evidencia 1: Los objetos en las galaxias a menudo se mueven más rápido que las velocidades de escape, pero en realidad no escapan.

Zwicky, también en la década de 1930, descubrió que las galaxias tienen mucha más energía cinética de la que podría explicarse por la masa observada y concluyó que debe haber una masa no observada que llamó materia oscura. (Zwicky acuñó el término & quot; materia oscura & quot).

Evidencia 2: Las galaxias tienen más energía cinética de la que permitiría la materia "normal" por sí sola.

Vera Rubin decidió entonces estudiar lo que se conoce como las & # x27 curvas de rotación & # x27 de las galaxias y encontró este gráfico. Como puede ver, la velocidad desde el centro es muy diferente de lo que se predice a partir de la materia observada. Concluyó que se necesitaba algo como la materia oscura propuesta por Zwickey & # x27 para explicar esto.

Evidencia 3: Las galaxias giran de manera diferente a lo que permitiría la materia "normal" por sí sola.

En 1979, D. Walsh et al. fueron de los primeros en detectar la lente gravitacional propuesta por la relatividad. Un problema: la cantidad de luz que se proyecta es mucho mayor de lo que se esperaría de la materia observable conocida. Sin embargo, si agrega la cantidad exacta de materia oscura que corrige las curvas de rotación anteriores, obtiene la cantidad exacta de lente gravitacional esperada.

Evidencia 4: Las galaxias desvían la luz más de lo que la materia "normal" permitiría por sí sola. Y la cantidad "invisible" necesaria es exactamente la misma cantidad que se resuelve 1-3 arriba.

En ese momento, la gente se estaba tomando en serio la materia oscura, ya que había formas independientes de verificar la masa necesaria.

Los MACHO se propusieron como soluciones (que son básicamente estrellas normales que son demasiado débiles para ver desde la Tierra), pero encuestas recientes han descartado esto porque a medida que aumenta nuestra sensibilidad para estos objetos, no vemos ninguna estrella "perdida" que pueda explicar el problema. .

Evidencia 5: Nuestros telescopios son órdenes de magnitud mejores que en los años 30. Y cuanto mejor nos veamos, más se confirma que la materia invisible y "normal" nunca resolverá el problema.

Se sabe que la proporción de deuterio a hidrógeno en el universo actual es proporcional a la densidad del universo. Se descubrió que la proporción observada en el universo era inconsistente con solo la materia observada. pero fue exactamente lo que se predijo si agrega la misma materia oscura a las galaxias que los grupos de arriba.

Evidencia 6: La relación deuterio a hidrógeno es completamente independiente de las evidencias anteriores y, sin embargo, confirma que se necesita exactamente la misma cantidad de masa "faltante".

El espectro de potencia del fondo cósmico de microondas es muy sensible a la cantidad de materia que hay en el universo. Como muestra esta gráfica aquí, solo si la materia observable es

Se puede explicar el 4% del presupuesto energético total.

Evidencia 7: Independientemente de todas las observaciones de estrellas y galaxias, la luz del Big Bang también requiere exactamente la misma cantidad de masa "perdida".

Esta imagen puede ser difícil de entender, pero resulta que podemos cuantificar la & quotshape & quot de cómo las galaxias se agrupan con y sin materia oscura. La & quotsplotchiness & quot del agrupamiento de estas imágenes de SDSS coincide con la predicción de materia oscura solo.

Evidencia 8: Independientemente de cómo roten las galaxias, su energía cinética, etc., está la cuestión de cómo se agrupan. Y las observaciones de la agrupación confirman la necesidad de cubas de materia oscura intermedia ''.

Una de las cosas recientes más convincentes fue el grupo de balas como se describe aquí. Vimos dos galaxias chocar donde la materia & quotobservada & quot realmente sufrió una colisión, pero la lente gravitacional siguió moviéndose sin impedimentos, lo que coincide con la creencia de que la mayoría de la masa en una galaxia es materia oscura sin colisiones que no sintió ninguna interacción de colisión y pasó directamente a través de la la mayor parte de las lentes gravitacionales que lo acompañan.

Evidencia 9: Cuando las galaxias se fusionan, podemos ver literalmente cómo la materia oscura sin colisiones pasa por el otro lado a través de lentes gravitacionales.

En 2009, Penny et al. mostró que la materia oscura es necesaria para que las galaxias de rotación rápida no sean destrozadas por las fuerzas de las mareas. Y, por supuesto, la cantidad requerida es exactamente la misma que resuelve todos los demás problemas anteriores.

Evidencia 10: Las galaxias experimentan fuerzas de marea que, según la física básica, deberían destrozarlas y, sin embargo, permanecen estables. Y la cantidad de materia invisible necesaria para mantenerlos estables es exactamente lo que se necesita para todo lo demás.

11. Hay contrateorías, pero lo que Sean Carroll hace muy bien aquí es mostrar cuán mal funcionan las contrateorías. No se ajustan a todos los datos. Son mucho más desordenados y complicados. Continúan siendo falsificados por nuevos experimentos. Etc.

Por el contrario, el modelo de materia oscura propuesto por Zwicky & # x27 en la década de 1930 continúa explicando y prediciendo todo lo que observamos sin problemas a través de múltiples generaciones de científicos que lo prueban de forma independiente. Por lo tanto, se cree ampliamente que la materia oscura.

Evidencia 11: Las teorías de la materia oscura han existido durante más de 80 años, y ninguna alternativa ha sido capaz de explicar ni la mayor parte de lo anterior. Excepto la teoría original que lo ha predicho todo.

Conclusión: Mire, sé que a la gente le encanta expresar escepticismo por la materia oscura por una gran cantidad de razones, pero al final del día, las teorías vanilla de la materia oscura han pasado literalmente docenas de pruebas sin fallar durante muchas décadas. Pruebas muy independientes entre diferentes grupos de investigación y generaciones. Así que, personalmente, creo que hemos entrado oficialmente en un ámbito en el que es importante que todos sean escépticos ante la afirmación de que la materia oscura no es real. O la afirmación de que los científicos no saben lo que están haciendo.

También sea escéptico cuando el inevitable artículo de los medios de comunicación aparece mes tras mes diciendo que alguien ha "destruido" la materia oscura porque su teoría explica alguna curva de rotación de la década de 1930. Escéptico porque las curvas de rotación son una de al menos una docena de pruebas independientes, sin mencionar los 80 años de predicción sólida.

Ahí vas. Estas son algunas de las razones básicas para tomar en serio la materia oscura.


Nuevos hallazgos sobre la composición del universo pueden generar investigación

Nuevas áreas de estudio extragaláctico pueden surgir de la investigación de astrofísicos de la Universidad de Alabama en Huntsville (UAH) que utilizan datos del Telescopio Espacial Chandra para concluir que los bariones que componen toda la materia visible, que alguna vez se pensó que faltaba en los cúmulos, están presentes en el proporciones esperadas en grupos grandes y luminosos.

La nueva investigación estudió cúmulos de galaxias muy grandes y concluye que, de hecho, contienen la proporción de materia visible que se está elaborando como parte de la teoría del Big Bang. El artículo fue escrito por el estudiante graduado David Landry con el Dr. Massimiliano (Max) Bonamente, profesor asociado de física de la UAH, Paul Giles y Ben Maughan de la Universidad de Bristol, Reino Unido, y Marshall Joy del Centro Marshall de Vuelos Espaciales de la NASA. El Dr. David Landry es ahora científico en Corvid Technologies en Huntsville, Alabama.

El trabajo puede impulsar nuevos esfuerzos para explicar los hallazgos de investigaciones anteriores de que algunos grupos tienen un déficit en bariones de lo esperado. El universo está compuesto por aproximadamente un 75 por ciento de energía oscura y un 25 por ciento de materia. De la porción que es materia, alrededor del 16 por ciento es la materia visible familiar que nos rodea y el 84 por ciento restante es materia oscura.

"Lo llamamos materia oscura porque no sabemos de qué está hecho, pero está hecho de algún tipo de partículas y no parece emitir energía visible", dijo el Dr. Bonamente. Juntas, la energía oscura, la materia oscura y la materia bariónica ordinaria forman un gráfico circular de la masa del universo, donde todo tiene que sumar el 100 por ciento. "No sabemos qué es la materia oscura", dijo, "pero tenemos los medios para armar el pastel".

Mientras que la energía oscura tiene una energía repulsiva, la materia oscura y la materia bariónica tienen una fuerza atractiva en la que "a todo le gusta agruparse" para formar estrellas, planetas y galaxias, dijo el Dr. Bonamente. Usando rayos X, los astrofísicos descubrieron que hay un gas de plasma caliente difuso que llena el espacio entre las galaxias.

"Básicamente, el espacio entre las galaxias está lleno de este plasma caliente que tiene una temperatura de 100 millones de grados", dijo el Dr. Bonamente. Debido a que el gas es tan difuso, tiene una capacidad calorífica muy baja. "Es como si te hiciera esta pregunta: ¿En cuál preferirías poner tu dedo, en una taza de agua hirviendo o en una habitación que se haya calentado a 212 grados Fahrenheit? Tú eliges la habitación porque la temperatura dentro de ella es más difusa. de lo que sería en la taza de agua concentrada, por lo que puedes tolerarlo ".

Entonces, ¿por qué el gas caliente simplemente no se escapa? "Está ligado al cúmulo por gravedad", dijo el Dr. Bonamente. "Con gas caliente, puede hacer dos cosas. Puede medir la materia regular, que es el contenido de bariones. Y dos, dado que el gas caliente está ligado, puede medir cuánta materia se necesitaría para retener el gas y, por lo tanto, puede decir cuánta materia oscura hay. "De repente, hay algo realmente maravilloso acerca de los gases calientes", dijo. "Puedes tener tu pastel y comértelo también".

En teoría, el universo debería contener las mismas proporciones de materia visible y oscura independientemente de dónde se muestre. Usando lecturas de radiación de microondas cósmica, los astrofísicos han podido hacer un tipo de análisis forense del pasado del universo, y esos hallazgos han mostrado las proporciones que estaban presentes en el Big Bang o poco después.

"Debido a que comenzó en el Big Bang, esa proporción debería persistir", dijo el Dr. Bonamente. "Es como si fuera al océano con una pala. La pala de agua que obtengo debería tener la misma concentración de sal que el resto del océano, sin importar dónde la obtenga".

Pero investigaciones anteriores habían indicado que algunos grupos tenían un porcentaje de bariones corto que se esperaba, lo que planteaba la cuestión de dónde se encontraban.

"Desde hace poco, la gente creía que los grupos tenían menos del 16 por ciento de bariones, por lo que faltaban bariones", dijo el Dr. Bonamente. "Dijimos que no, que están ahí. Entonces, ¿cómo encontramos los cúmulos con esta proporción correcta? Estudiamos los más luminosos, porque tienen más masa y retienen más bariones".

Los hallazgos podrían abrir nuevas áreas de investigación sobre por qué se registraron los déficits en bariones en investigaciones anteriores. El Dr. Bonamente sugiere una teoría. "Sabemos que algunos grupos más pequeños tienen concentraciones más bajas de bariones que los más grandes", dijo. Quizás debido a fuerzas gravitacionales más débiles, los gases calientes escaparon de manera similar a los planetas que no tienen atmósfera. "Tal vez el gas se pueda unir, pero tal vez un poco pueda salir volando si no hay suficiente gravedad".

Para más estudios sobre grupos más pequeños, el Dr. Bonamente espera la llegada del nuevo miembro de la facultad, el Dr. Ming Sun, anteriormente en la Universidad de Virginia, quien es un experto en grupos que tienen menos del 16 por ciento de bariones.

"Estoy emocionado de que Ming haya decidido unirse a nuestro grupo de investigación", dice el Dr. Bonamente. "Con él a bordo, la UAH está preparada para continuar haciendo descubrimientos sobre la composición del universo, y esa es la pregunta más emocionante para responder. Puedo pensar en."


Partículas invisibles

Algo más fue creado durante el Big Bang: la materia oscura. "Pero no podemos decir qué forma tomó, porque no hemos detectado esas partículas", dijo Bahcall a WordsSideKick.com.

La materia oscura no se puede observar directamente, pero sus huellas digitales se conservan en la primera luz del universo, o la radiación cósmica de fondo de microondas (CMB), como pequeñas fluctuaciones en la radiación, dijo Bahcall. Los científicos propusieron por primera vez la existencia de materia oscura en la década de 1930, teorizando que la atracción invisible de la materia oscura debe ser lo que mantenía unidos los cúmulos de galaxias en rápido movimiento. Décadas más tarde, en la década de 1970, la astrónoma estadounidense Vera Rubin encontró más evidencia de materia oscura en las velocidades de rotación de las estrellas más rápidas de lo esperado.

Con base en los hallazgos de Rubin, los astrofísicos calcularon que la materia oscura y mdash, aunque no se podía ver o medir, debe constituir una parte significativa del universo. Pero hace unos 20 años, los científicos descubrieron que el universo contenía algo aún más extraño que la energía oscura de la materia oscura, que se cree que es significativamente más abundante que la materia o la materia oscura. [Galería: Materia oscura en todo el universo]


La materia y la energía le dicen al espacio-tiempo cómo ser: gravedad oscura

¿Es la gravedad fundamental o emergente? El electromagnetismo es un ejemplo de fuerza fundamental. La termodinámica es un ejemplo de comportamiento estadístico emergente.

Newton vio la gravedad como una fuerza misteriosa que actuaba a una distancia entre dos objetos, obedecía la conocida ley del cuadrado inverso y se producía en un espacio-tiempo que era inflexible y tenía un único marco de referencia.

Einstein examinó la naturaleza del espacio y el tiempo y se dio cuenta de que son flexibles. Sin embargo, la relatividad general sigue siendo una teoría clásica, sin comportamiento cuántico. Y presupone un tejido continuo para el espacio.

Como dijo John Wheeler, "el espacio-tiempo le dice a la materia cómo moverse, la materia le dice al espacio-tiempo cómo curvarse". Ahora Wheeler sabía muy bien que no solo la materia, sino también la energía, curva el espacio-tiempo.

Una sugerencia modesta: invierta la frase de Wheeler. Y luego generalízalo. La materia y la energía le dicen al espacio-tiempo cómo ser.

¿Qué es más fundamental? ¿Materia o espacio-tiempo?

Las teorías cuánticas de la gravedad buscan acoplar los campos cuánticos conocidos con la gravedad, y se espera que en las escalas extremadamente pequeñas de Planck, el tiempo y el espacio pierdan su naturaleza continua.

En física, el espacio y el tiempo se asumen típicamente como telones de fondo continuos.

Pero, ¿y si el espacio no es fundamental en absoluto? ¿Y si el tiempo no es fundamental? No es difícil concebir el tiempo como un mero ordenamiento de eventos. Pero el espacio y el tiempo son hasta cierto punto intercambiables, como demostró Einstein con la relatividad especial.

Entonces, ¿qué pasa con el espacio? ¿Estamos simplemente colocando reglas entre objetos, entre masas?

Los físicos de partículas están llegando cada vez más a la opinión de que el espacio y el tiempo son emergente. No es fundamental.

Si es emergente, ¿de qué? El concepto es que las partículas y los campos cuánticos, para el caso, están entrelazados entre sí. Sus estados cuánticos microscópicos están correlacionados. El fenómeno del entrelazamiento cuántico se ha estudiado en el laboratorio y está bien probado.

Los científicos chinos incluso, el año pasado, demostraron el entrelazamiento cuántico de fotones a través de un enlace ascendente de satélite con una trayectoria total que excede los 1200 kilómetros.

El entrelazamiento cuántico se convierte así en el hilo que utiliza la naturaleza para unir el tejido del espacio. Y a medida que cambia el grado de entrelazamiento cuántico, cambia la curvatura local del tejido. A medida que cambia la curvatura, la materia sigue diferentes caminos. Y esa es la gravedad en acción.

Las leyes de Newton son una aproximación de la relatividad general para el caso de pequeñas aceleraciones. Pero si el espacio no es un tejido continuo y es el resultado de un entrelazamiento cuántico, entonces, para aceleraciones muy pequeñas (en un rango subnewtoniano), tanto la dinámica de Newton como la relatividad general pueden estar incompletas.

La conexión entre la gravedad y la termodinámica ha existido durante cuatro décadas, a través de la investigación sobre los agujeros negros y de la teoría de cuerdas. Jacob Bekenstein y Stephen Hawking determinaron que un agujero negro posee una entropía proporcional a su área dividida por la constante gravitacional G. Este enfoque de la entropía de la ley del área puede usarse para derivar la relatividad general como lo hizo Ted Jacobson en 1995.

Pero puede ser que el supuesto componente de la ley del área sea insuficiente según la nueva hipótesis de la gravedad emergente de Erik Verlinde, también hay un componente de la ley del volumen para la entropía, que debe considerarse debido a la energía oscura y cuando las aceleraciones son muy bajas.

Hemos tenido indicios sobre esta descripción incompleta de la gravedad en las mediciones de velocidad realizadas en las afueras de las galaxias durante las últimas ocho décadas. Se observan velocidades más altas de lo esperado, lo que refleja una mayor aceleración de las estrellas y el gas de lo que Newton (o Einstein) predeciría. Podemos llamar a esto gravedad oscura.

Ahora bien, esta gravedad oscura podría deberse a la materia oscura. O simplemente podría ser gravedad modificada, con una gravedad adicional sobre la que esperábamos.

Se ha entendido desde el trabajo de Mordehai Milgrom en la década de 1980 que las velocidades en exceso que se observan están mejor correlacionadas con la aceleración adicional que con la distancia desde el centro galáctico.

Stacey McGaugh y sus colaboradores han demostrado una correlación muy estrecha entre las aceleraciones observadas y la aceleración newtoniana esperada, como comenté en un blog anterior aquí. La aceleración adicional se activa por debajo de unas pocas veces metros por segundo por segundo (m / s²).

¡Esto es sospechosamente cercano a la velocidad de la luz dividida por la edad del universo! Que es aproximadamente m / s².

¿Por qué debería ser eso? La densidad de masa / energía (tanto la masa como la energía contribuyen a la gravedad) del universo está dominada hoy por la energía oscura.

El modelo cosmológico canónico tiene un 70% de energía oscura, un 25% de materia oscura y un 5% de materia ordinaria. De hecho, si no hay materia oscura, solo gravedad oscura o aceleración oscura, entonces podría ser más como una división del 95% y el 5% entre la energía oscura y los componentes de la materia (ordinaria).

Un universo homogéneo compuesto solo por energía oscura en la relatividad general se conoce como universo de De Sitter (dS). Nuestro universo es, en la actualidad, básicamente un universo dS "salado" con materia.

Entonces, uno debe preguntarse cómo se comporta la gravedad en los dominios influenciados por la energía oscura. Ahora, a diferencia de la materia ordinaria, la energía oscura se distribuye de manera muy uniforme en las escalas más grandes. Está impulsando una expansión acelerada del universo (¡el tejido del espacio-tiempo!) Y arrastrando consigo la materia ordinaria.

Pero donde la densidad de la materia ordinaria es alta, se evacua la energía oscura. Un pensamiento irónico, ya que la energía oscura se considera energía del vacío. Pero donde hay mucha materia, el vacío se hace a un lado.

Ese concepto general fue lo que Erik Verlinde usó para derivar una fórmula de aceleración adicional en 2016. Modeló una gravedad entrópica emergente debido a la materia ordinaria y también debido a la interacción entre la energía oscura y la materia ordinaria. Modeló la energía oscura como si respondiera como un medio elástico cuando se desplaza dentro de la vecindad de la materia. Usando esta analogía con la elasticidad, obtuvo una aceleración adicional proporcional a la raíz cuadrada del producto de la aceleración newtoniana habitual y un término relacionado con la velocidad de la luz dividida por la edad del universo. Esto conduce a una ley de fuerza de 1 / r para el componente extra, ya que la aceleración newtoniana es igual a 1 / r².

La gravedad oscura de Verlinde depende de la raíz cuadrada del producto de una aceleración característica a0 y gravedad newtoniana (bariónica) ordinaria, gB

La idea es que el medio elástico de energía oscura se relaje en escalas de tiempo cosmológicas. La materia desplaza la energía y la entropía de este medio, y hay una reacción inversa de la energía oscura sobre la materia que se expresa como una entropía de la ley del volumen. Verlinde es capaz de demostrar que esta interacción entre la materia y la energía oscura conduce precisamente a la aceleración característica, donde H es el parámetro de expansión de Hubble y es igual a uno sobre la edad del universo para un universo dS. Este resulta ser el valor correcto de poco más de m / s² que coincide con las observaciones.

En nuestro sistema solar, y de hecho en las regiones centrales de las galaxias, vemos la gravedad como la interacción de la materia ordinaria y otra materia ordinaria. No estamos acostumbrados a este otro baile.

Dominios de la gravedad

Agujeros negros, estrellas de neutrones

La tabla anterior resume tres dominios para la gravedad: relatividad general, newtoniana y gravedad oscura, la última surgiendo a muy bajas aceleraciones. ¡Siempre estamos calculando la gravedad incorrectamente! Por lo general, como en nuestro sistema solar, no importa en absoluto. Por ejemplo, en la superficie de la Tierra, la gravedad es 11 órdenes de magnitud mayor que el dominio de muy baja aceleración donde se activa el término adicional.

Recientemente, Alexander Peach, profesor de física en la Universidad de Durham, ha adoptado un ángulo diferente basado en la exposición original y mucho más simple de Verlinde de su teoría de la gravedad emergente en su artículo de 2010. Obtiene un resultado equivalente al de Verlinde de una manera que creo que es más fácil de entender. Él asume que la holografía (la suposición de que toda la entropía se puede calcular como la entropía de la ley del área en una pantalla esférica que rodea la masa) se descompone en una escala de longitud determinada. Para imitar el efecto de la energía oscura en la nueva hipótesis de Verlinde, Peach agrega una contribución de la ley del volumen a la entropía que compite con la ley del área holográfica en esta escala de cierta longitud. Y termina con el mismo resultado, una fuerza entrópica 1 / r adicional que debe agregarse para la corrección en dominios de muy baja aceleración.

En la figura 2 (arriba) del artículo de Peach, analiza una partícula de prueba ubicada más allá de un radio crítico para la cual también se debe considerar la entropía de la ley del volumen. Bien dentro (mostrado en b) la energía oscura es completamente desplazada por la masa de atracción ubicada en el origen y el cálculo de la entropía de la ley del área es exacto (indicado por la superficie sombreada). Más allá del efecto de la energía oscura es importante, la aproximación de la pantalla holográfica se rompe y la entropía del volumen debe incluirse en la contribución a la fuerza gravitacional emergente. (mostrado en c). Es esta entropía de volumen la que proporciona un término adicional de 1 / r para la fuerza gravitacional.

Peach asume que los sistemas de límites y de volumen están en equilibrio térmico. La mayor parte es la fuente de entropía de volumen. En su experimento mental, modela un solo bit de información correspondiente a la partícula de prueba que se encuentra a una longitud de onda de Compton de la pantalla, tal como Verlinde lo hizo inicialmente en su descripción de la gravedad newtoniana emergente en 2010. La longitud de onda de Compton es igual a la longitud de onda de un fotón tendría si su energía fuera igual a la energía de masa en reposo de la partícula de prueba. Cuantifica la limitación en la medición de la posición de una partícula.

Entonces, el cambio en la entropía del límite (pantalla) puede estar relacionado con el pequeño desplazamiento de la partícula. Suponiendo equilibrio térmico y equipartición dentro de cada sistema y adoptando la primera ley de la termodinámica, la fuerza entrópica extra se puede determinar como igual a la fórmula newtoniana, pero reemplazando uno de los términos r en el denominador por.

Para entender, para un sistema dado, es el radio en el que la gravedad adicional es igual al cálculo newtoniano, en otras palabras, la gravedad es dos veces más fuerte de lo que se esperaría en esa ubicación. A su vez, esto se remonta al hecho de que, por definición, es la escala de longitud más allá de la cual el término de la ley del volumen abruma a la ley del área holográfica.

Por lo tanto, es la distancia a la que la gravedad newtoniana cae a aproximadamente m / s², es decir, para un sistema dado.

Entonces, Peach y Verlinde usan dos métodos diferentes pero con suposiciones consistentes para modelar un término de gravedad oscura que sigue una ley de fuerza 1 / r. Y esto se activa alrededor de m / s².

Los ingredientes introducidos por la configuración de Peach pueden ser suficientes para derivar una teoría covariante, que implicaría una versión modificada de la relatividad general que introduce nuevos campos, que podrían tener interacciones novedosas con la materia ordinaria. Esto podría agregar más detalles a la historia de la gravedad emergente covariante ya considerada por Hossenfelder (2017), y permitir más pruebas fenomenológicas de la gravedad oscura emergente. Actualmente, no está claro cómo deberían verse los grados de libertad adicionales en la versión covariante del modelo de Peach. Puede ser que la introducción de variables elásticas por Verlinde sea la única opción sensata, o podría ser una de varias opciones consistentes.

Con el trabajo de Peach, los físicos han dado un paso más en la comprensión y el modelado de la gravedad oscura de una manera que obvia la necesidad de que la materia oscura explique nuestro universo.

Cerramos con otro de los dichos de John Wheeler:

“Lo único más difícil de entender que una ley de origen estadístico sería una ley que no sea de origen estadístico, porque entonces no habría forma de que ésta, o sus principios progenitores, pudieran llegar a existir. Por otro lado, cuando consideramos cada una de las leyes de la física —y ninguna ley tiene un alcance más magnífico o está mejor probada— como, en el fondo, de carácter estadístico, entonces podemos por fin renunciar a la idea de una ley que perdura desde eternamente eterna. "

Es un placer agradecer a Alexander Peach por sus comentarios y contribuciones a este artículo.

https://arxiv.org/abs/gr-qc/9504004 "Termodinámica del espacio-tiempo: la ecuación de estado de Einstein" 1995, Ted Jacobson

https://arxiv.org/pdf/1806.10195.pdf "Gravedad oscura emergente de pantallas (no) holográficas" 2018, Alexander Peach

https://arxiv.org/pdf/1703.01415.pdf "Una versión covariante de Verlinde & # 8217s Emergent Gravity" Sabine Hossenfelder


¿LIGO detectó materia oscura?

A menudo se ha dicho, incluso yo, que uno de los aspectos más intrigantes de la materia oscura es que nos proporciona la mejor evidencia actual para la física más allá de la Teoría del Núcleo (relatividad general más el Modelo Estándar de física de partículas). La base de esa afirmación es que tenemos buena evidencia de al menos dos frentes & # 8212 la nucleosíntesis del Big Bang y perturbaciones en el fondo cósmico de microondas & # 8212 de que la densidad total de materia en el universo es mucho mayor que la densidad de & # 8220orden & # 8221 materia como la que encontramos en el Modelo Estándar.

Hay una laguna importante en esta idea. La teoría básica incluye no solo el modelo estándar, sino también la gravedad. Los propios gravitones no pueden ser la materia oscura; son partículas sin masa, que se mueven a la velocidad de la luz, mientras que sabemos por sus efectos en las galaxias que la materia oscura es & # 8220 fría & # 8221 (se mueve lentamente en comparación con la luz). Pero hay objetos masivos que se mueven lentamente y que están hechos de & # 8220 gravedad pura & # 8221, a saber, agujeros negros. ¿Podrían los agujeros negros ser la materia oscura?

Depende. Las limitaciones de la nucleosíntesis, por ejemplo, implican que la materia oscura no estaba formada por partículas ordinarias cuando el universo tenía un minuto. Por lo tanto, no puede tener un universo con solo materia regular y luego formar un agujero negro-materia oscura de las formas convencionales (como estrellas que colapsan) en los últimos tiempos. Lo que puedes hacer es imaginar que los agujeros negros estuvieron allí desde casi el principio y que son primordiales. Tener agujeros negros primordiales no es la cosa más natural del mundo, pero hay formas de hacer que suceda, como tener perturbaciones de densidad muy fuertes a escalas de longitud relativamente pequeñas (a diferencia de las perturbaciones de densidad muy débiles que vemos en el universo). escalas de tamaño).

Recientemente, por supuesto, los agujeros negros fueron noticia, cuando LIGO detectó ondas gravitacionales de la inspiración de dos agujeros negros de aproximadamente 30 masas solares cada uno. Esto plantea una pregunta interesante, al menos si eres lo suficientemente inteligente como para juntar las piezas: ¿podría la materia oscura estar hecha de agujeros negros primordiales de alrededor de 30 masas solares, y podrían haberse unido dos de ellos para producir la señal LIGO? (Entonces la pregunta no es, & # 8220 ¿Están los agujeros negros hechos de materia oscura? & # 8221, & # 8217s & # 8220 ¿La materia oscura está hecha de agujeros negros? & # 8221)

Esta idea acaba de ser examinada en un nuevo artículo de Bird et al .:

¿LIGO detectó materia oscura?

Simeon Bird, Ilias Cholis, Julian B. Muñoz, Yacine Ali-Haïmoud, Marc Kamionkowski, Ely D. Kovetz, Alvise Raccanelli, Adam G. Riess

Consideramos la posibilidad de que el binario de agujero negro (BH) detectado por LIGO pueda ser una firma de materia oscura. Curiosamente, queda una ventana para masas de 10 millones≲Mbh≲100M donde los agujeros negros primordiales (PBH) pueden constituir la materia oscura. Si dos BH en un halo galáctico pasan lo suficientemente cerca, pueden irradiar suficiente energía en ondas gravitacionales para unirse gravitacionalmente. Los BH enlazados luego se desplazarán rápidamente hacia adentro debido a la emisión de radiación gravitacional y finalmente se fusionarán. Las incertidumbres en la tasa de tales eventos surgen de nuestro conocimiento impreciso de la estructura del espacio-fase de los halos galácticos en las escalas más pequeñas. Aún así, las estimaciones razonables abarcan un rango que se superpone a la tasa de 2−53 Gpc −3 años −1 estimada a partir de GW150914, lo que aumenta la posibilidad de que LIGO haya detectado materia oscura PBH. Es probable que las fusiones de PBH se distribuyan espacialmente más como materia oscura que como materia luminosa y no tengan contrapartes ópticas ni de neutrinos. Pueden distinguirse de las fusiones de BH de fuentes astrofísicas más tradicionales a través del espectro de masas observado, sus altas elipticidades o su fondo de ondas gravitacionales estocásticas. Los experimentos de próxima generación serán invaluables para realizar estas pruebas.

Dada esta idea intrigante, hay un par de cosas que puede hacer. En primer lugar, por supuesto, le gustaría comprobar que no está descartado por otros datos. Esto resulta ser una pregunta muy interesante, ya que existen buenos límites sobre qué masas están permitidas para la materia oscura de los agujeros negros primordiales, desde cosas como la microlente gravitacional y el hecho de que objetos suficientemente masivos interrumpirían las órbitas de estrellas binarias anchas. Los autores afirman (y citan artículos en el sentido) que 30 masas solares encajan perfectamente dentro del rango de valores que son no descartado por los datos.

La otra cosa que le gustaría hacer es averiguar cuántas fusiones como la que vio LIGO deberían esperarse en tal escenario. Recuerde, LIGO pareció tener suerte al ver un evento tan grande y hermoso justo afuera de la puerta & # 8212 el pensamiento era que la mayoría de las señales detectables serían de fusiones relativamente insignificantes de estrellas de neutrones / estrellas de neutrones, no de un negro tan gloriosamente masivo agujeros.

La tasa esperada de tales fusiones, bajo el supuesto de que la materia oscura está hecha de agujeros negros tan grandes, no es fácil de estimar, pero los autores hacen todo lo posible y dan una cifra de alrededor de 5 fusiones por gigaparsec cúbico por año. . A continuación, puede preguntar cuál debería ser la tasa si LIGO no tuvo suerte, sino que simplemente observó algo que está sucediendo todo el tiempo, la respuesta, notablemente, está entre 2 y 50 por gigaparsec cúbico por año. ¡Los números tienen sentido!

El escenario sería bastante notable y significativo, si resulta ser correcto. Buenas noticias: ¡hemos encontrado esa materia oscura! Malas noticias: las esperanzas se atenuarían considerablemente de encontrar nuevas partículas a energías accesibles a los aceleradores de partículas. La Teoría del Núcleo resultaría incluso más triunfante de lo que habíamos creído.

Afortunadamente, hay formas de probar la idea. Si eventos como los que vio LIGO provinieran de agujeros negros de materia oscura, no habría razón para que estuvieran estrechamente asociados con las estrellas. Se distribuirían a través del espacio como la materia oscura en lugar de como lo es la materia ordinaria, y no esperaríamos ver muchos eventos electromagnéticos equivalentes visibles (como lo haríamos si los agujeros negros estuvieran rodeados de gas y polvo).

Veremos. Es una obviedad popular, especialmente entre los entusiastas de las ondas gravitacionales, que cada vez que miramos el universo de una nueva forma, terminamos viendo algo que no habíamos anticipado. Si los agujeros negros de LIGO son la materia oscura del universo, sería un eufemismo.


Introducción

Los candidatos a materia oscura (DM) deben estar más allá de las partículas del modelo estándar (SM), neutrales y estables. Habiendo escapado hasta ahora de la detección, deben tener pequeñas interacciones con partículas SM. Incluso sería posible que interactuaran solo gravitacionalmente.

Un posible mecanismo de producción de partículas de DM, que tiene lugar en el universo temprano, es a través de la evaporación [1] de los agujeros negros primordiales (BH), con masas en el amplio rango (10 ​​^ <-5> ) - (10 ​​^ 9 ) g. En este caso, se emiten todas las partículas con masa por debajo de la temperatura de Hawking del BH, con pesos dados simplemente por su número de grados de libertad (dof). Se ha propuesto que las partículas producidas a través del mecanismo de evaporación podrían ser responsables del exceso de bariones sobre los anti-bariones [2, 3], de la abundancia de materia oscura observada [4, 5, 6] y, si son suficientemente ligeras, también para radiación oscura [5, 7,8,9]. Aparte del caso de la producción de gravitino [10, 11], la densidad de BH primordial en la formación para el rango (10 ​​^ <-5> ) - (10 ​​^ 9 ) g no está restringida actualmente, como se revisó, para ejemplo, en la Ref. [12]. Sin embargo, Ref. [13] (ver también Ref. [14]) deriva un límite superior en la fracción del universo colapsado en BH primordiales en este mismo rango de masa de posibles ondas gravitacionales de retroacción de BH primordiales. Árbitro. [15] considera las restricciones sobre las partículas de DM cargadas bajo un grupo de calibre oculto.

Dependiendo de la fracción de BH primordiales en formación con respecto a la radiación ( beta ), existe la posibilidad de que el universo estuviera dominado por BH antes de la evanescencia de los BH [4, 16, 17]: esta situación se conoce como Dominación BH. El caso en el que los BH se evaporan antes de dominar el contenido energético del universo se denomina dominación de la radiación.

Fujita y col. [4] calcularon la contribución a la DM por la evaporación del BH primordial en nuevas partículas más allá del SM: encontraron que una contribución significativa a la DM podría provenir de partículas estables que son superpesadas o ligeras, es decir, con masas en el rango de MeV. En el caso ligero, los candidatos a DM serían cálidos, mientras que en el caso superpesado serían fríos. Aprovechando las restricciones de velocidad de DM caliente disponibles en ese momento [18], Ref. [4] primero discutió también los límites inferiores en la masa de los candidatos a DM ligeros, usando un argumento de orden de magnitud esencialmente basado en la aproximación de la óptica geométrica para la radiación de Hawking. Esta aproximación ignora la supresión de baja energía en los factores de cuerpo gris [19, 20], lo que explica bastante bien el caso en el que el candidato a DM cálido tiene (s = 0 ), pero falta para reproducir el caso de diferentes espines. Para una presentación actualizada de este argumento, consulte [21, 22].

Lennon et al. [5]. También adoptaron la aproximación de óptica geométrica, pero incluyeron el efecto de desplazamiento al rojo en el cálculo de la distribución del momento de las partículas emitidas. Su resultado es una estimación del número de partículas que todavía son relativistas, con una dependencia de espín reintroducida. posteriormente y basado en factores de cuerpo gris derivados de la literatura más antigua [20, 23]. Como criterio aproximado para la formación de una estructura exitosa, imponen que cuando la temperatura del universo cae por debajo de 1 keV (en cuya etapa la masa del horizonte es aproximadamente (10 ​​^ 9 ) masas solares), menos que ( 10 \% ) del DM es relativista. El resultado de este argumento ingenioso, pero bastante arbitrario, es que, para la dominación de BH, los candidatos cálidos de DM con (s le 1 ) están excluidos, aquellos con (s = 3/2 ) están marginalmente permitidos, mientras que aquellos con (s = 2 ) ingenuamente sobrevivir. Resumiendo, para los valores de espín más bajos (digamos (s = 0,1 / 2,1 )), los resultados del orden de magnitud de la Ref. [4] fueron confirmados por la Ref. [5], pero el último análisis, sin embargo, no fue completamente concluyente para los giros más altos ( (s = 3 / 2,2 )).

El análisis más reciente de Baldes et al. [22] va un paso más allá. Como se sugiere en [5], incluyen el efecto de corrimiento al rojo en la distribución del momento de las partículas emitidas en la evaporación y derivan la distribución del espacio de fase relacionada como entrada para el código de Boltzmann CLASS [24,25,26]. Este último permite extraer el espectro de potencia de la materia para DM caliente a partir de BH primordiales y compararlo con el caso estándar de DM frío gracias a la función de transferencia. Esto permite restringir la DM cálida de los BH primordiales utilizando los límites de formación de la estructura de los datos de Lyman ya derivados para el conocido caso de las reliquias térmicas de DM. El análisis de la Ref. [22], sin embargo, se basa en la aproximación de la óptica geométrica y, en particular, proporciona resultados cuantitativos solo para el caso (s = 1/2 ), que concuerda con estimaciones de orden de magnitud anteriores [4, 21], también basado en la aproximación de óptica geométrica. Por lo tanto, el caso de los giros más altos no pudo aclararse cuantitativamente (aparte de una mención cualitativa de los efectos del cuerpo gris en el apéndice A de la Ref. [22]) con respecto a los resultados de la Ref. [5].

Dada la actual falta de resultados sólidos sobre el destino de los candidatos a DM cálidos con altos valores de giro, creemos que sería útil y oportuno realizar un estudio específico. El objetivo de este trabajo es precisamente proporcionar un estudio completo y actualizado sobre la viabilidad de candidatos a DM cálidos a partir de la evaporación de BH primordiales.

Para tener en cuenta numéricamente los factores de cuerpo gris asociados con los diferentes giros, utilizamos el código BlackHawk [27], desarrollado recientemente y disponible para el público. También comparamos los resultados numéricos de BlackHawk con los analíticos derivados de la aproximación de óptica geométrica. Teniendo en cuenta los efectos de corrimiento al rojo como se sugiere en la Ref. [5], estudiamos el impacto en la formación de estructuras calculando la función de transferencia con CLASS, como se sugiere en la Ref. [22]. Derivamos la función de transferencia para todos los valores de spins, encontrando que, asumiendo la dominación de BH, el escenario de DM cálida de BH primordiales se excluye para todos los spins y para todas las masas de BH en el rango (10 ​​^ <-5> ) - (10 ^ 9 ) g. Nuestros resultados para el caso (s = 0 ) concuerdan con estimaciones previas de orden de magnitud [4, 21]. Para el dominio de la radiación, derivamos los límites superiores en ( beta ) (o, de manera equivalente, en la masa de DM cálida) para los diversos giros de DM cálidos. Para el caso (s = 1/2 ) (el único para el que es posible la comparación), encontramos diferencias conceptuales con respecto a los resultados de la Ref. [22], pero un acuerdo numérico sustancial.

En este trabajo, consideramos la evaporación de BH como el único mecanismo de producción. Las consecuencias de permitir otros mecanismos de producción se han explorado recientemente en las refs. [28] y [29, 30]. Para un modelo mixto de producción de DM, Ref. [28] demostró que un período primordial dominado por BH de creación de DM por evaporación no puede explicar la abundancia observada hoy. Para un análisis actualizado de la posibilidad de que la asimetría materia-antimateria se deba a partículas producidas por la evaporación de BH primordiales, remitimos al lector interesado a la Ref. [31] para la bariogénesis GUT y para la Ref. [32] para la leptogénesis. La DM y la bariogénesis en el caso de restos estables de 2-2 agujeros térmicos se han estudiado en la Ref. [33].

El documento está organizado de la siguiente manera. En la Secta. 2, presentamos nuestra notación y revisamos las ideas básicas sobre la formación y evaporación de BH primordiales. En la Secta. 3, discutimos el espectro primario instantáneo para las partículas emitidas. En la Secta. 4, discutimos la dinámica de la abundancia de BH primordial. Secta. 5 trata de la distribución de la cantidad de movimiento en la evaporación y la Sec. 6 con el cálculo de la distribución del espacio de fase DM. El cálculo de la abundancia de MS y el impacto en la formación de estructuras se presentan en las Secciones. 7 y 8, respectivamente. La discusión de los resultados y nuestras conclusiones se presentan en la Sec. 9.

Para tener un mejor control de nuestras fórmulas de análisis dimensional y cálculos numéricos, no utilizamos unidades naturales.


¿Por qué importa la materia oscura?

Esta semana: las cosas misteriosas que te atraviesan en este momento y que, literalmente, mantienen unida a la galaxia. pero no tenemos idea de qué es. Hablamos con los científicos que intentan averiguarlo. Además, en las noticias, la tecnología de 100 años que nos está ayudando a combatir infecciones que actualmente no podemos tratar. Y evidencia de que las avispas pueden medir las cosas.

En este episodio

00:60 - Los fagos tratan las bacterias resistentes a los antibióticos

Los fagos tratan las bacterias resistentes a los antibióticos con Graham Hatfull, Universidad de Pittsburgh

Una tecnología pionera hace aproximadamente un siglo, pero luego abandonada en gran medida con la llegada de los antibióticos, recibió una inyección en el brazo y salvó la vida de un paciente en Great Ormond Street, gracias a la tecnología moderna. Esta es la "terapia con fagos", el uso de virus que matan bacterias, para combatir infecciones. Chris Smith habló con Graham Hatfull de la Universidad de Pittsburgh.

Graham: El titular es que hemos utilizado bacteriófagos para tratar a un paciente con una infección por un organismo resistente a los antibióticos muy desagradable. Colegas nuestros en el Great Ormond Street Hospital en Londres, tenían pacientes que tenían fibrosis quística, se sometieron a un trasplante de doble pulmón pero luego habían sufrido infecciones bacterianas muy graves que se volvieron, esencialmente, intratables porque eran resistentes a todos los antibióticos que administraban. podría arrojarles. Entonces, lo que hicimos fue encontrar bacteriófagos que infectaran la cepa bacteriana muy específica con la que estaba infectado el paciente, que se administraron al paciente y vimos resultados clínicos y supervivencia del paciente realmente excelentes.

Chris: ¿De dónde sacaste el bacteriófago que finalmente terminaste usando? ¿Cómo fue a buscarlo?

Graham: hemos estado estudiando estos bacteriófagos durante bastante tiempo, por lo que tenemos una biblioteca de aproximadamente 15,000 bacteriófagos individuales, y por lo que sabemos sobre ellos, podríamos reducir eso a una lista corta y pudimos identificar tres fagos que funcionó bien contra este patógeno bacteriano en particular.

Chris - ¿Y cuánto tiempo te llevó hacer eso? Porque una de las cosas críticas con alguien que se encuentra extremadamente enfermo es que no tiene mucho tiempo y si administra antibióticos es genial porque generalmente puede obtenerlos listos para usar y dárselos al paciente de inmediato. Supongo que simplemente no puede encontrar un fago, darle la vuelta y administrarlo en el mismo tipo de línea de tiempo que puede hacerlo con un antibiótico en la actualidad.

Graham - Sí. Tomó varios meses, especialmente porque no solo tuvimos que seleccionar entre nuestros candidatos favoritos, sino que tuvimos que hacer algo de ingeniería genética para tomar candidatos bastante pobres y convertirlos en medicamentos antibacterianos efectivos. Este tipo de infecciones causadas por micobacterias tienden a progresar de manera relativamente lenta, por lo que en este caso tuvimos un período de tiempo (fueron seis meses más o menos) en el que el paciente estaba esencialmente colgando allí y pudimos obtener los fagos en suficiente tiempo. tiempo para poder administrarlos con buen resultado.

Chris: ¿Y cómo manipulaste los fagos para conseguirlos de modo que alcanzaran el punto óptimo, por así decirlo, y eliminaran la bacteria correcta?

Graham: uno de los problemas que enfrentamos es que no todos los fagos son líticos, no siempre matan cuando infectan las bacterias. Lo que teníamos que hacer era utilizar la ingeniería genética para eliminar un gen en particular que estaba causando ese problema, y ​​así convertir lo que realmente no era un fago muy útil en uno que fuera terapéuticamente efectivo.

Chris: ¿Cómo administraste los fagos una vez que encontraste los que querías y supiste que los habías optimizado?

Graham - Realmente hay dos vías de administración: administrarlos por vía intravenosa y luego se agregó una solución de fagos en una gasa tanto en la herida esternal del trasplante como en los nódulos de la piel que aparecen como una especie de manifestación común de este tipo de enfermedades.

Chris - ¿Y cómo sabes que realmente te has deshecho de la bacteria? ¿Cómo sabe que no hay algunos escondidos allí que ahora sean resistentes a todos los antibióticos conocidos y su fago y puedan regresar?

Graham - De nuevo, esa es una gran pregunta y obviamente algo de lo que nos preocupamos mucho. En lugar de usar un fago, hicimos específicamente un cóctel de tres fagos para tratar de combatir ese problema de resistencia. Las bacterias podrían volverse resistentes contra un fago, pero aún así deberían ser susceptibles a los otros que estamos dando en el cóctel.

Chris: Estamos en lo que un director médico del Reino Unido describió como una situación de "apocalipsis de antibióticos", así que, ¿crees que habrá un gran regreso de los fagos entonces?

Graham: creo que existe una oportunidad real para tratar de encontrar los tipos de infecciones que los fagos realmente podrían ser útiles para tratar. Existen tipos particulares de enfermedades e infecciones en las que podrían encontrar una utilidad. Y uno puede imaginar el uso de fagos de una manera inteligente en la que esencialmente se combinan con antibióticos para mejorar esencialmente la utilidad de los antibióticos y tratar de ayudar a reducir la incidencia de resistencia a los antibióticos.

Graham Hatfull, sobre cómo el bacteriófago, descubierto por primera vez en 1915 por el investigador inglés Frederick Twort, podría ayudarnos a combatir las infecciones resistentes a los antibióticos cien años después. Estos resultados se publicaron en Nature Medicine.

05:57 - Reparación de pulmones lesionados para trasplantes

Reparación de pulmones lesionados para trasplantes con Matthew Bacchetta, Universidad de Vanderbilt

Miles de personas mueren cada año esperando en las listas de trasplantes. Y los pulmones son particularmente escasos. Ahora, los científicos podrían haber encontrado una manera de aumentar la cantidad de órganos de donantes que son aptos para trasplantes. En experimentos con cerdos, que tienen pulmones muy similares a los nuestros, Matthew Bacchetta de la Universidad de Vanderbuilt descubrió que si toma pulmones lesionados que normalmente no serían aptos para el trasplante y los conecta al sistema circulatorio de un receptor potencial durante un día más o menos, pero mantiene los pulmones fuera del cuerpo en una cámara de órganos especial: nutridos por los efectos curativos del suministro de sangre, se recuperan muy rápidamente a un estado que significa que pueden moverse dentro del receptor. Matthew habló con Chris Smith.

Matthew - Los pulmones son extremadamente sensibles a las lesiones por aspiración gástrica, contusión pulmonar, lo que significa que el pulmón se magulla, se infecta mientras el paciente está conectado a un ventilador, por lo que podría desarrollar una infección bacteriana como neumonía, y esas son las razones principales por las que los órganos son considerado inaceptable para el trasplante. El principal impulso de lo que hemos hecho aquí es replicar la lesión que vemos en los humanos. Usamos lo que llamamos aspiración gástrica, lo que básicamente significa que el paciente ha tomado contenidos gástricos, que son muy ácidos y cáusticos, en sus pulmones y le causa una inflamación como una neumonía severa, por lo que el órgano no se puede usar. Y lo que nuestro sistema ha permitido es que el órgano se regenere o se repare a sí mismo con el tiempo.

Chris - ¿Cómo lo has hecho?

Matthew - Primero fallamos mucho al probar diferentes tipos de sistemas ex vivo, lo que significa que el órgano se colocó fuera del cuerpo separado en una especie de sistema de perfusión de máquina. Y después de estar muy frustrados y fallar repetidamente, finalmente tuvimos el momento 'eureka' en el que dijimos que no podemos replicar un sistema completo, pero lo que podemos hacer es unir el órgano a un huésped o receptor natural. En otras palabras, el órgano podría estar conectado a alguien que potencialmente necesita un trasplante de pulmón y ese cuerpo proporciona todo el sistema natural necesario para la cicatrización de heridas. Lo que hemos hecho esencialmente es conectar este órgano al receptor potencial que proporciona todos los factores críticos en su sangre que permiten que el órgano se cure.

Chris - Entonces, ¿dónde se asentaron los pulmones, están en el baño junto a lo que será el paciente? Cuando realmente vengas a hacer esto, vas a terminar con algunos tubos que salen del individuo y llevan la sangre hacia y desde estos pulmones que van a estar fuera de su cuerpo junto a ellos.

Matthew - Eso es correcto. Eso es exactamente lo que hacemos. Están en un recipiente especializado; en realidad, se ve muy similar a lo que haríamos con un paciente que estaba en diálisis, saldría sangre, entraría en la máquina de diálisis y luego esa sangre se devolvería al paciente.

Chris - ¿El pulmón respira tan bien como? ¿Está empujando aire hacia adentro y hacia afuera de los pulmones? ¿Lo hace para mantenerlo natural y qué esperaría si estuviera dentro del cuerpo, para crear una imitación de lo que sería el entorno real del cuerpo?

Matthew - Lo hace. Lo conectamos a un ventilador mecánico y podemos medir el rendimiento del órgano en tiempo real.

Chris - Entonces, estás viendo cuánto oxígeno está siendo empujado a la sangre por ese par de pulmones, así que eso te da un marcador de qué tan bien se están comportando y cuál es la mejora.

Matthew - Eso es correcto, exactamente. Entonces podemos monitorear eso a lo largo del tiempo y eso nos da un punto de referencia para monitorear el proceso de mejora y también para informarnos cuando hemos alcanzado un nivel que es normal.

Chris - ¿Por qué esto es mejor que poner los pulmones en el punto final individual? Debido a que básicamente estás haciendo lo mismo, les estás enviando un suministro de sangre, les estás enviando un suministro de aire, ¿por qué es mejor hacerlo fuera del cuerpo que simplemente ponerlos dentro?

Matthew - Sí, esa es una gran pregunta. La principal diferencia es que hay que someter al paciente a un procedimiento muy invasivo. Tengo que extirparles los pulmones, tengo que ponerles pulmones nuevos y sabemos que los pulmones están dañados, que en realidad no son aceptables para un trasplante. Y luego tengo que apoyar a ese paciente con pulmones dañados que causa un proceso inflamatorio profundo y, por lo tanto, el cuerpo en realidad no funciona tan eficazmente en la curación de esos pulmones y el paciente se vuelve inestable porque ahora dependen de un órgano lesionado para mantenerlos. viva.

Chris - ¿Y cómo le fue al destinatario mientras tienen este par de pulmones extra conectados a ellos, y no cualquier pulmón viejo, los pulmones de otra persona, los pulmones de algún otro animal y los pulmones enfermos? ¿Hubo una carga obvia para el individuo o se las arregló bien?

Matthew - De hecho, se las arreglaron muy bien. Eran hemodinámicamente estables, lo que significa que su presión arterial, su frecuencia cardíaca y todas las demás medidas fisiológicas que usamos eran normales y estables.

12:35 - Predicción de la enfermedad inflamatoria intestinal

Predecir la enfermedad inflamatoria intestinal con Ken Smith, James Lee, Universidad de Cambridge

La enfermedad inflamatoria intestinal puede causar dolor severo y problemas graves en quienes la padecen todos los días. Pero, ¿qué significa para quienes la padecen y cómo podríamos mejorar sus vidas? Adam Murphy habló con Ken Smith y James Lee de la Universidad de Cambridge sobre una nueva prueba que han desarrollado, que puede predecir la gravedad futura de la enfermedad inflamatoria intestinal en quienes la padecen. Pero primero, escuchamos a Kate, paciente con EII, que ha estado lidiando con la afección durante muchos años.

Kate: Me diagnosticaron Crohn a los 14 años y no había indicios de que las cosas fueran a ser tan graves a largo plazo. Mi consultor me dijo en ese momento que necesitaría que me extirparan un poco de intestino, pero que no había razón para pensar que eso no sería el final durante mucho tiempo. Desafortunadamente, sin embargo, en nueve meses me sentí mal de nuevo y durante los años siguientes pasé por una serie de medicamentos, todos los cuales causaron efectos secundarios bastante graves, pero hicieron poco para detener el progreso de la enfermedad. Con el tiempo, mi intestino grueso se dañó demasiado para salvarlo y, después de unos meses con un tubo de alimentación para intentar subir de peso antes de la cirugía, me dijeron que necesitaría una bolsa de colostomía permanente.

Adam - Esa es Kate. Como escuchó, sufre de la enfermedad de Crohn, una enfermedad inflamatoria intestinal o EII. Pero, ¿qué está pasando en los cuerpos de las personas como ella? Hablé con James Lee, gastroenterólogo de la Universidad de Cambridge.

James: EII es un término genérico. Significa enfermedad inflamatoria intestinal y abarca la enfermedad de Crohn y la colitis ulcerosa, que son dos enfermedades diferentes. Pero esencialmente en ambas enfermedades, lo que sucede es que su sistema inmunológico se cruza de cables, el sistema inmunológico realmente ataca el intestino y el resultado de eso es que puede causar ulceración e inflamación dentro del intestino, y eso puede provocar síntomas bastante desagradables en los que usted tiene sangrado y dolor abdominal. Estas son enfermedades incurables que duran toda la vida y uno de los grandes problemas es que algunos pacientes desarrollarán una forma muy grave y agresiva de la enfermedad, mientras que otras personas con la misma enfermedad pueden tener un curso de la enfermedad muy leve. Por lo tanto, uno de los mayores desafíos para el tratamiento de pacientes con colitis ulcerosa y enfermedad de Crohn en este momento es identificar qué pacientes necesitan un enfoque de tratamiento más agresivo porque su enfermedad será mucho más agresiva y con qué pacientes realmente les iría muy bien con relativamente terapia mínima.

Adam - ¿Y cómo haces eso? Ken Smith, Jefe del Departamento de Medicina de la Universidad de Cambridge, me explicó el tema.

Ken: Empezamos hace unos 12 años. Estábamos interesados ​​en averiguar qué factores impulsaban diferentes resultados a largo plazo para los pacientes con enfermedades como la enfermedad inflamatoria intestinal. Así que comenzamos reclutando a muchos pacientes en el momento del diagnóstico, midiendo la expresión de genes en su sangre ese día y luego comparando los patrones de expresión de esos genes, las denominadas firmas, comparándolo con sus resultados clínicos a largo plazo. , por lo que este estudio ha llevado muchos años realizarlo.

Lo que encontramos fue una firma que se correlacionó muy fuertemente con el desempeño de las personas a largo plazo. Luego tomamos esa firma y, en un proceso complejo, desarrollamos una prueba que funcionaba con sangre total que recreaba el efecto de esa firma permitiéndonos dividir a los pacientes en dos grupos que tenían resultados a largo plazo muy diferentes.

Adam - Y la firma que encontraste, ¿qué fue?

Ken: era una firma en cosas llamadas células T CD8, que son un subconjunto de glóbulos blancos, y esencialmente era una medida de algo que se llama agotamiento de las células T. Entonces, si tiene una tendencia a haber agotado las células T, tiende a tener muy buenos resultados a largo plazo, mientras que si no tiene agotamiento, tiene lo contrario, tiende a tener un curso de la enfermedad más agresivo. Entonces, entendemos las vías biológicas que sustentan esta observación en esta prueba.

Adam - ¿Y qué podría significar esto para los pacientes? De vuelta a James.

James: Esto realmente podría cambiar las reglas del juego para el tratamiento de pacientes con EII. Por el momento, la mayoría de los pacientes reciben lo que aparentemente es un enfoque de "talla única" para su tratamiento y eso se debe a que simplemente no hemos tenido buenas formas de identificar a los pacientes que necesitan un tratamiento más agresivo de los que no lo hacen. Entonces, por el momento, todos en el Reino Unido y en muchas otras partes del mundo comenzarán con un tratamiento inicial. Si su enfermedad continúa empeorando con frecuencia, pasarán a algo más fuerte, y si continúa empeorando, pasarán a algo más fuerte aún, y ese aumento gradual en el tratamiento continuará hasta que finalmente lleguemos al tratamiento. necesitan.

Para los pacientes que tienen la enfermedad más agresiva, que podría no ser hasta que reciban su tratamiento de cuarta o quinta línea y, mientras tanto, han estado expuestos a veces a años de enfermedad persistentemente activa con todos los riesgos de las complicaciones que van. junto con eso. Por el contrario, sabemos que, en realidad, si pudiéramos brindar los tratamientos más efectivos por adelantado a ese tipo de pacientes, esos son los pacientes que más se beneficiarían al controlar su enfermedad de manera temprana.

Así que durante mucho tiempo en la enfermedad inflamatoria intestinal y, en realidad, en otros campos de la medicina, la gente ha estado buscando formas de hacer coincidir el tratamiento adecuado con el paciente adecuado, así que si tiene algo que le permita personalizar el tratamiento de esa manera podría cambiar completamente la forma en que tratamos a los pacientes en el futuro.

Adam - Y finalmente, ¿qué podría significar para personas como Kate?

Kate - Para mí, la enfermedad de Crohn siempre ha sido una enfermedad que constantemente intenta ganar terreno. En los años posteriores a mi diagnóstico, al fallar en mi camino a través de medicamentos de diferente potencia, perdí terreno que nunca habría tenido que rendirme si las personas a cargo de mi cuidado tuvieran una herramienta que les permitiera ver una imagen más clara de lo que yo necesitaba estar bien. Es increíble pensar en lo que una prueba como esta podría ahorrarle a la gente.

18:05 - ¿Pueden las avispas hacer comparaciones como los humanos?

¿Pueden las avispas hacer comparaciones como los humanos? con Elizabeth Tibbetts, Universidad de Michigan

Los seres humanos tienen mucho talento para usar una habilidad cognitiva llamada "inferencia transitiva": usar información sobre cosas que conoce para sacar conclusiones sobre cosas que no sabe. Por ejemplo, si sabe que A es más grande que B y B es más grande que C, puede decir que A es más grande que C sin tener que mirarlos uno al lado del otro. Sabemos que los humanos pueden hacer esto, pero es una pregunta abierta qué otros animales también pueden hacerlo. La profesora Elizabeth Tibbetts de la Universidad de Michigan ha estado investigando si uno de los enemigos más difamados de la humanidad, la avispa, es capaz de utilizar esta técnica cognitiva avanzada. Habló con Ben McAllister.

Elizabeth: Hace mucho tiempo, la gente pensaba que la inferencia transitiva se basaba en el razonamiento lógico y pensamos que solo los humanos eran capaces de realizar inferencias transitivas y, como era de esperar, en poco tiempo descubrimos que los humanos no eran los únicos. Resulta que una gran variedad de vertebrados pueden hacer inferencias transitivas, así que primates, aves e incluso peces.

Ben - ¡Guau! Entonces, vive en ese cubo de cosas que solíamos pensar que eran exclusivas de la experiencia humana, pero estamos aprendiendo rápidamente que se está convirtiendo en un cubo mucho más pequeño.

Elizabeth: Creo que es un balde muy pequeño. Hubo un estudio sobre inferencia transitiva en un no vertebrado y se realizó en abejas, y encontraron que las abejas no podían hacer inferencia transitiva. Y creo que las avispas son mucho más inteligentes que las abejas, así que quería probar si las avispas podían hacerlo.

Ben - Y para cualquiera que no sea muy aficionado a las avispas, lo escuchaste aquí primero, las avispas no solo dan más miedo que las abejas, sino que también son infinitamente más astutas, así que añádelo a tu consideración. ¿Qué hizo con este estudio específicamente para averiguar si las avispas podían usar la inferencia transitiva?

Elizabeth - Lo que hicimos fue entrenarlos con un montón de colores. Entonces, por ejemplo, les enseñamos que el azul es mejor que el verde, y luego les enseñamos que el verde es mejor que el morado, y luego les enseñamos que el morado es mejor que el amarillo. Entonces tenían toda esta información y ahora les pedimos que hicieran una inferencia, así que les preguntamos qué te gusta más el verde o el amarillo.

Ben - Correcto. ¿Y nunca antes habían visto el verde o el amarillo juntos?

Elizabeth: Exactamente. Nunca han visto el verde o el amarillo juntos. Algunas veces el verde ha sido bueno, algunas veces el verde ha sido malo, por lo que no hay nada que deba ser inherentemente diferente en los estímulos.

Ben - ¿Cómo se puede entrenar a una avispa para que el verde sea mejor que cualquier otro color?

Elizabeth - Los entrenamos en este diminuto maíz. Tiene que ser diminuto porque las avispas son diminutas. Parte del fondo está electrificado y parte del fondo no lo está.Entonces, cuando les enseñamos que el azul es mejor que el verde, el azul es un área segura en el laberinto y el verde les da una pequeña descarga eléctrica.

Ben: ¿Cómo averiguas exactamente qué es una pequeña descarga eléctrica para una avispa?

Elizabeth: Yo diría que es prueba y error. Pero prometo que no se dañaron avispas en este experimento. Queremos que aprendan, así que no queremos que se asusten o se preocupen mucho ni nada, ¿no? Así que les damos la suficiente conmoción para que actúen un poco incómodos para que empiecen a moverse más rápido y traten de alejarse de ella.

Ben - Y entonces solo pasan un poco de tiempo en este laberinto hasta que finalmente aterrizan en la parte que no los sorprende y esa parte corresponde al color que quieres entrenarlos, ¿es bueno?

Elizabeth: Exactamente. Se mueven por el laberinto y, finalmente, van a la parte que es segura y dicen, oh, Dios mío, es seguro y está el color verde: el verde es genial.

Ben - Está bien. ¿Qué hiciste después de entrenarlos?

Elizabeth - Después de entrenarlos, tuvimos que probarlos, así que los pusimos en el medio de una caja y luego probamos a qué color prefieren ir.

Ben - ¿Y no tenías estímulos eléctricos o seguía presente?

Elizabeth - Había colores en cada extremo y no había electricidad para indicarles, pero la idea es que aprendieron que el verde es bueno, luego pasarían al lado verde. Así que los probamos en los colores en los que los habíamos entrenado originalmente solo para confirmar que habían aprendido en qué los entrenamos, y luego también los probamos en esos nuevos pares transitivos.

Ben - Está bien. Y que encontraste

Elizabeth: Descubrimos que las avispas tienen inferencia transitiva. Así que tomaron todos esos pares entrenados y parecen organizarlos en su mente linealmente, y luego usaron la inferencia transitiva para elegir entre estímulos que nunca antes habían estado uno al lado del otro.

Ben - Eso es fascinante porque, como mencionaste antes, anteriormente alguien había descubierto que las abejas son incapaces de hacer esto. Seguramente una abeja y una avispa tienen cerebros de tamaño bastante similar, ¿verdad?

Elizabeth - Sí. Tanto las abejas como las avispas tienen cerebros de tamaño similar y sus cerebros son realmente pequeños, del tamaño de un grano de arroz. Creo que la diferencia entre abejas y avispas no es realmente que las avispas sean genios y las abejas tontas, se trata más de cómo es la vida social de las avispas y las abejas. Todos los trabajadores de una colonia de abejas son más o menos iguales, pasan su tiempo buscando comida, pero en una colonia de avispas hay todo tipo de relaciones de dominación interesantes. Tienen una jerarquía de dominación lineal donde la avispa dominante hace la mayor parte de la reproducción y las avispas subordinadas hacen la mayor parte del trabajo, por lo que es increíblemente importante averiguar qué tan dominantes son las otras avispas en la tierra de las avispas. Por ejemplo, si has vencido a Jane en una pelea antes y ves que Jane vence a Susan, entonces puedes inferir, oye, probablemente voy a poder vencer a Susan. Así que ese tipo de cosas es realmente importante para las avispas y no importante para las abejas.

Ben: también diría que probablemente sea importante para los humanos, dependiendo de a quién le preguntes.

Elizabeth: Sí, definitivamente importante para los humanos.

Ben: Es importante saber eso. ¿Crees que hay margen para extender este tipo de razonamiento al tratar con otros animales u otros tipos de cognición animal?

Elizabeth: Apuesto a que muchos otros insectos son capaces de realizar inferencias transitivas. Creo que todavía no los hemos probado. Creo que uno de los mensajes es que los animales pueden ser realmente buenos en lo que les importa. Creemos que los humanos son los mejores en todo, pero muchos animales son increíbles en cosas realmente específicas que deben hacer para tener éxito.

Ben: ¿La inteligencia no se correlaciona necesariamente solo con el tamaño del cerebro, sino también con las tareas que deben realizarse?

Elizabeth: Exactamente. No necesitas un gran cerebro para hacer cosas complicadas. Incluso un pequeño cerebro puede hacer cosas complicadas si el animal necesita poder hacerlo.

24:03 - En el buzón de científicos desnudos

En el buzón de Naked Scientists

Chris Smith y Katie Haylor abrieron la bolsa de correo de Naked Scientists para ver lo que los oyentes nos estaban preguntando y contando.

Katie - Resulta que nuestro cartero, mientras entregaba el correo fuera de la oficina el otro día, es un fanático del programa, así que muchas gracias. Ahora quiere saber sobre la gravedad. ¿Qué es realmente la gravedad y de qué está hecha? Ben, ¿puedes ayudarnos con esto?

Ben - Esta es una gran pregunta. Básicamente, la respuesta es que no lo sabemos. Nadie sabe realmente por qué es una gran pregunta. Sabemos que hay cuatro fuerzas fundamentales en la naturaleza y estad atentos a la mitad posterior de este programa, donde escuchará sobre ellas con un poco más de detalle.

Hablaré de dos, específicamente la gravedad es una fuerza de la que estamos hablando aquí. Esto es algo que existe entre dos cosas que tienen masa, las une. Y podemos comparar eso con otra fuerza de la que sabemos de qué está hecho, que es el electromagnetismo, esta es la fuerza que sienten los imanes cuando se atraen entre sí. Esa fuerza, si quiere decirlo, está formada por algo, en realidad está formada por estas partículas llamadas fotones que son solo pequeños trozos de luz. Cuando los imanes se atraen, en realidad se disparan pequeños trozos de luz de un lado a otro y de eso está hecha esa fuerza, si lo desea.

Si tuviéramos que traer algo análogo a la gravedad, no sabemos si hay algo así con la gravedad. Algunas personas piensan que existe, piensan que podría haber una partícula llamada gravitón, aunque esto nunca se ha detectado. Otras personas dirían que no hay nada, en realidad es solo la flexión física del espacio-tiempo lo que crea efectos como la gravedad. Respuesta tan corta, no lo sabemos. Mucha gente está tratando de averiguarlo, gran pregunta.

Katie: Es una gran pregunta, ¿no?

Katie - Pero parece que la segunda mitad de este programa puede ayudarnos a intentar comprender algo de esta ciencia.

Ben - Por supuesto. Una mejor comprensión de la materia oscura conducirá sin duda a una mejor comprensión de la gravedad.

Katie - ¿Entonces nuestro cartero eligió una muy buena semana para preguntar sobre la gravedad?

Chris - Y ahí lo tienes. Muchas gracias Ben por esa respuesta de primera clase para nuestro cartero.

26:40 - ¿Qué es la materia oscura?

¿Qué es la materia oscura? con el profesor Lord Martin Rees, Universidad de Cambridge

Vamos a profundizar en las cosas misteriosas que constituyen una gran parte del Universo. Pero no podemos verlo y no tenemos ni la más remota idea de qué es. Entonces, ¿cómo estamos tratando de averiguarlo y cómo sabemos que está ahí? Ben McAllister lo ha estado averiguando.

Ben, me gustaría contarte una historia. Es una historia sobre galaxias, agujeros negros, estrellas, planetas, personas y todo lo demás en el universo. Ahora sabemos que todas las cosas importantes del universo (personas, planetas, estrellas) están formadas por un puñado de diferentes tipos de partículas. Estas pequeñas cosas como los átomos que están formados por protones, neutrones y electrones. Hemos llegado a saber bastante acerca de esas pequeñas cosas, cómo se componen de cosas más grandes en los últimos cientos de años. En conjunto, los astrónomos llaman a todo eso materia bariónica, y eso es todo lo que hay, ¿verdad?

Estoy aquí para decirles que ese no es el caso. La materia bariónica (personas, planetas, estrellas) es solo una fracción muy pequeña de toda la historia. En el programa de hoy vamos a escuchar lo que sabemos sobre el resto. Vamos a escuchar sobre la materia oscura.

Para darle una idea, la materia oscura es esta materia misteriosa que ocupa el universo. Es enorme, hay cinco veces más materia que materia normal, está en todas partes. En este momento, mientras escuchas que pasa a través de tu cuerpo, no podemos ver el tacto ni sentirlo. Pero antes de llegar a lo que es, tenemos que retroceder un poco. ¿Alguna vez has mirado las estrellas y te has preguntado si hay más ahí fuera? Si lo ha hecho, realmente no está solo, los humanos lo han estado haciendo desde que hubo humanos.

Profesor Lord Martin Rees, Astrónomo Real.

Martin: en realidad, algunos de ellos surgieron en la década de 1930 gracias al trabajo de Fritz Zwicky, que era un astrónomo suizo-estadounidense y estaba estudiando la distribución de las galaxias. Cada galaxia es, por supuesto, tan grande como nuestra Vía Láctea, por lo que estaba mirando el universo a escalas muy grandes. Se dio cuenta de que las galaxias no estaban distribuidas al azar, sino que eran cúmulos, y estos cúmulos obviamente parecen estar unidos por la gravedad. Pero cuando midió las velocidades de estas galaxias, descubrió que era sorprendente que no se separaran, porque la energía correspondiente a esas velocidades abrumaría la fuerza gravitacional que mantiene unido al cúmulo si esa gravedad se debiera solo a las galaxias. Él infirió que debe haber algún material adicional que uniera al cúmulo, y esta fue la primera evidencia realmente seria de que había algo oscuro en el universo por encima del gas y las estrellas que son visibles.

Ben - Durante décadas hemos estado observando cosas como esta. Extraños movimientos de grandes cuerpos en el espacio que no se pueden explicar si solo consideramos la materia que podemos ver. Todo se reduce a la gravedad. La gravedad es la fuerza principal que gobierna la forma en que las cosas se mueven en el espacio. Es una fuerza que existe entre dos cosas que tienen masa y las une. La gravedad se vuelve más fuerte cuanto más masa hay, pero lo que es más importante, se vuelve más débil cuanto más separadas están las dos cosas.

En el espacio, cuando miramos cosas que podemos ver como estrellas, por ejemplo, podemos estimar cuánta masa hay en el sistema y luego, usando las leyes de la gravedad, lo que llamamos gravedad newtoniana, podemos modelar la forma en que esperamos que la masa se mueva. Cuando las cosas no se mueven como esperamos, digamos que se mueven mucho más rápido, por ejemplo, implica que falta algo en nuestra imagen. Hay una fuerza adicional que hace que las cosas se muevan más rápido, lo que indica que son una masa adicional para proporcionar esa fuerza adicional.

Martin - Si hubiera descubierto, por ejemplo, que Júpiter giraba alrededor del Sol tan rápido como la Tierra, habría tenido que inferir que había mucha masa misteriosa fuera de la órbita de la Tierra, pero dentro de la órbita de Júpiter. Entonces, Júpiter no solo sentía la masa del Sol, sino algo más que la Tierra no sentía. Algo así, en una escala mucho mayor, por supuesto, sucedió cuando la gente estudió las partes externas de las galaxias. Descubrieron que el material giraba más rápido, las estrellas periféricas y el gas a grandes distancias iban más rápido, y esto implicaba que las estrellas en una galaxia no eran el tipo de masa dominante y que, en su conjunto, esta galaxia como la nuestra sí lo era. incrustado en lo que llegó a llamarse un halo de algún material que no emitía ninguna luz pero ejercía una fuerte gravedad y dominaba la atracción gravitacional en las partes exteriores de la galaxia.

Ben: hemos llegado al punto de la historia en el que, gracias a las observaciones de cuerpos que se mueven en el espacio, estamos bastante seguros de que estamos rodeados de una enorme cantidad de materia oscura. Nuevamente, se está moviendo a través de su cuerpo en este momento, y supera enormemente la materia regular que entendemos, simplemente no sabemos qué es. Desde entonces, hemos descubierto un poco más al respecto, pero no mucho más. Es una nueva frontera, una nueva región para explorar. Tenemos algunas teorías para explicar los fenómenos que vemos, algunas de las cuales en realidad no incluyen materia oscura en absoluto.

Martin - Y existe, por supuesto, la idea de que estamos equivocados acerca de la gravedad. Y, por supuesto, todos los argumentos en los que se infiere una masa a partir de los movimientos de los planetas, las estrellas y las galaxias: eso supone, en cierto sentido, la gravedad newtoniana. Entonces, algunas personas están proponiendo otras formas en las que no necesitaríamos tener materia oscura en absoluto, y simplemente tendríamos una teoría de la gravedad diferente. Pero creo que la mayoría de la gente está en contra de eso, porque en primer lugar no hay ninguna razón en particular por la que nos sorprenda la materia oscura. Hay mucho margen para las partículas de materia oscura. Y en segundo lugar, estaríamos descartando muchos datos buenos si abandonamos la idea de que entendemos la gravedad. Aún así, apostaría a que lo más probable es que la materia oscura esté en algún tipo de partículas.

Ben: varios experimentos en todo el mundo proponen intentar detectar estas partículas a medida que atraviesan la tierra y escucharemos más sobre algunas de ellas más adelante. Pero, ¿por qué debería importarnos esto? No podemos verlo, tocarlo o sentirlo, es solo esta cosa misteriosa que flota.

Martin - Bueno, sabemos que todo el mundo ha mirado las estrellas a lo largo de la historia de la humanidad y se ha preguntado acerca de ellas. Uno de los grandes logros de la cosmología es comprender la estructura del universo: por qué hay estrellas, por qué hay galaxias, por qué están agrupadas y los detalles de eso. Esto solo nos da una historia consistente si tenemos la presencia de materia oscura que es, en promedio, cinco veces más densa que el gas y las estrellas que vemos. Y creo que este éxito es uno de los grandes logros de la ciencia moderna. Yo diría que está a la altura del modelo estándar de física de partículas en el genoma. Cuando se escribe la historia de la ciencia, creo que el hecho de que comprendamos la evolución cósmica y por qué existen las galaxias es realmente un gran logro.

Ben - Si eso no lo hace por usted, considere esto. Piense en todo lo que los humanos han logrado con una comprensión de solo una sexta parte de la materia del universo. Ordenadores. Medicina moderna y vuelos espaciales. Toda la literatura artística. Imagínese lo que podríamos hacer si pudiéramos desbloquear el resto.


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