Edward Witten, la materia oscura y la galaxia enana Fornax

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Un artículo sobre materia oscura y su efecto en las galaxias enanas no es lo que uno espera leer del físicomatemático Edward Witten (IAS, Princeton), el gurú de la teoría de cuerdas. Recupera una idea antigua, la llamada materia oscura difusa (Fuzzy Dark Matter). Un bosón tipo axión con una masa en la escala de los zeptoelectrónvoltios como candidato ideal para la materia oscura. Usando un modelo tipo superfluido predice varias propiedades de los halos galácticos que son falsables. Como que los halos galácticos deben tener un núcleo más denso (una especie de solitón de materia oscura) con una distribución de densidad de materia oscura que influye en las curvas de rotación galáctica.

La galaxia enana Fornax, satélite de la Vía Láctea, presenta cúmulos globulares (círculos en la figura) con poblaciones estelares poco homogéneas. Witten y sus colegas afirman que no se pueden explicar usando el modelo de materia oscura fría (CDM), pero que se pueden explicar con el modelo FDM. Lo cierto es que usando la teorías de canibalismo galáctico dichos cúmulos se pueden explicar dentro del CDM sin problemas. Pero Witten y sus colegas omiten mencionarlo.

El artículo es Lam Hui, Jeremiah P. Ostriker, …, Edward Witten, “On the hypothesis that cosmological dark matter is composed of ultra-light bosons,” arXiv:1610.08297 [astro-ph.CO]; me he enterado gracias a Tommaso Dorigo, “Is Dark Matter A Very Light Boson ? Witten Says It Might,” AQDS, 29 Oct 2016.

Sobre los cúmulos globulares en la galaxia enana Fornax recomiendo T.J.L. de Boer, M. Fraser, “Four and one more: The formation history and total mass of globular clusters in the Fornax dSph,” Astronomy & Astrophysics 590: A35 (04 May 2016), doi: 10.1051/0004-6361/201527580arXiv:1510.05642 [astro-ph.GA]. Sobre la importancia del canibalismo galáctico en las poblaciones de estrellas de los cúmulos globulares de Fornax recomiendo  Zhen Yuan, Y.-Z. Qian, Y. P. Jing, “Estimating the evolution of gas in the Fornax dwarf spheroidal galaxy from its star formation history: an illustrative example,” MNRAS 456: 3253-3264 (01 Mar 2016), doi: 10.1093/mnras/stv2855arXiv:1503.00780 [astro-ph.GA].

Por cierto, la idea de Witten y sus colegas recuerda mucho al reciente artículo de dos españoles, que proponen que la materia oscura no interacciona consigo misma, Angel Paredes, Humberto Michinel, “Interference of Dark Matter Solitons and Galactic Offsets,” Physics of the Dark Universe 12: 50-55 (Jun 2016), doi: 10.1016/j.dark.2016.02.003arXiv:1512.05121 [astro-ph.CO].

[PS] Recomiendo Luboš Motl, “Witten and colleagues favor an ultralight axion as dark matter,” TRF, 01 Nov 2016.

[PS 04 Nov 2016] Recomiendo también el artículo de Jiajun Zhang, Yue-Lin Sming Tsai, …, Ming-Chung Chu, “Ultra-Light Axion Dark Matter and its impacts on dark halo structure in N-body simulation,” arXiv:1611.00892 [astro-ph.CO].

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El cúmulo globular Fornax 4 está dominado por estrellas jóvenes, ricas en metales ([Fe/H]=−1,2), mientras que Fornax 1, 2 y 3 lo están por estrellas viejas (más de diez mil millones de años), pobres en metales ([Fe/H]=−2,5); para Fornax 5 se observa un caso intermedio ([Fe/H]=−1,8). Esta variabilidad en las poblaciones estelares de estos cúmulos globulares no es fácil de explicar con modelos de formación galáctica basados en materia oscura fría, que predicen que todos debieron haberse formado al mismo tiempo. Sin embargo, su origen podría ser el canibalismo galáctico (las simulaciones por ordenador predicen chorros de estrellas que conectan Fornax con la Vía Láctea y una diversidad de poblaciones en los cúmulos globulares).

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Ya en 1983 se propuso que un bosón de tipo axión con una masa de zeptoelectrónvoltios (m ∼ 10−21 eV ). La propuesta fue bautizada en el año 2000 por investigadores del IAS de Princeton como Fuzzy Cold Dark Matter (FCDM), aunque hoy se conoce como FDM. El artículo de Witten y sus colegas reivindica esta propuesta como explicación de los cúmulos globulares de la Fornax; en concreto, asumen un bosón con una masa m ∼ 10−22 eV y una longitud de onda de De Broglie λ ∼ 1 kpc, que se comporta como un superfluido (la misma idea de los españoles Paredes y Michinel). En este superfluido se describe por ls ecuaciones de Madelung que se pueden resolver por ordenador fácilmente.

La gran diferencia entre el modelo CDM y el FDM está en la escala de los kilopársecs. Aparece una solución de materia oscura concentrada (un solitón de las ecuaciones de Madelung) que cambia la distribución de densidad en el centro de la galaxia. El llamado solitón FDM provoca que la densidad de materia oscura decaiga con el inverso de la distancia en dicha región (cuando en el modelo CDM debe decaer más lentamente). Observar su efecto en galaxias como la Vía Láctea es muy difícil, pero no imposible.

En las galaxias enanas los cúmulos globulares deben moverse en espiral por la fricción debida al acoplamiento entre la radiación y la materia oscura en el CDM. Hoy no tendrían que observarse. Según Witten y sus colegas la fricción en el modelo FDM es mucho más pequeña; gracias a ello el proceso es mucho más lento y por ello se observan los cúmulos globulares como en la actualidad.

En resumen, sorprende leer un artículo fenomenológico y con matemáticas elementales firmado por Witten. Aún así sus ideas me parecen poco prometedoras. Espero estar equivocado.



7 Comentarios

  1. ¡Vaya cosa!. Hace no mucho investigaba en el programa Langlands y en la s-dualidad de super Yang-Mills n=4, hace menos que comenzó a investigar en materia condensada y ahora esto. Que interesante es enterarse de lo que trabaja un genio como él

    – Poquísimo hay escrito sobre la vida de Witten. Para algún interesado aquí dejo un paper escrito por él sobre su vida en la física y las matemáticas https://www.sns.ias.edu/ckfinder/userfiles/files/ComemorativeLecturePopular.pdf

    -Por cierto yo estoy aprendiendo de sus notas de materia condensada que son una verdadera hermosura y son temas relativamente frescos a los que han entrado grandes mentes como Kapustin o las ideas de Xiao-Gang Wen https://arxiv.org/abs/1510.07698

    ¿Explica el origen del bosón tipo axion de su modelo? (¿sigue siendo un pseudogoldsotone como el axion que se propone para solucionar el problema cp fuerte en qcd?)

  2. McGaugh contraataca fuerte, con artículo de anteayer mismo,
    https://arxiv.org/pdf/1610.08981v1.pdf

    Madre mía, esto se pone tenso, ahora nos presenta una muestra mayor de galaxias, habrá que analizarlo despacio, es un artículo bastante extenso, pero remata con esto: “A tight coupling between baryons and DM is difficult to understand within the standard CDM cosmology. Our results may point to the need for a revision of the current DM paradigm”.

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 31 octubre, 2016
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