Una misión a Urano y Neptuno es nuestra mejor esperanza para encontrar materia oscura

A Mission to Uranus and Neptune Is Our Best Hope to Find Dark Matter

La materia oscura es algo extraño y misterioso. Podría representar hasta el 85 por ciento de la masa del universo, y su gravedad afecta todo lo que lo rodea. Pero no podemos verlo a simple vista. Nunca lo hemos observado directamente con ninguno de nuestros instrumentos, en la Tierra o haciendo zoom a través del espacio en alguna sonda.

Ahora, un equipo suizo ha elaborado un plan intrigante: una posible forma de obtener una lectura mucho más precisa de la materia oscura. Implica disparar sondas hacia los planetas más distantes de nuestro sistema solar, Urano y Neptuno, y registrar cuidadosamente cada fuerza que tira de sus trayectorias. Si restamos el conocido fuerzas —la atracción gravitatoria de todos los planetas, lunas y asteroides cercanos—, lo que queda debería ser el efecto de la materia oscura.

Es una «oportunidad única» para «mejorar las mediciones de los parámetros gravitacionales estándar en el sistema solar», escribieron Lorenz Zwick y su equipo del Centro de Astrofísica Teórica y Cosmología de la Universidad de Zúrich en un nuevo estudio revisado por pares que apareció en línea el 22 de abril.

El plan suizo se ve muy bien en el papel. En la práctica, sin embargo, podría no ser posible separar la fuerza de la materia oscura que actúa sobre una sonda de, por ejemplo, la fuerza de algún asteroide no mapeado, o incluso un conector suelto en la sonda que expulsa radiación al espacio. En otras palabras, es posible que no sepamos lo suficiente sobre el asunto que puede ver para empezar a inferir cosas sobre el asunto que no puedo ver.

La teoría actual es que la materia oscura no interactúa con los campos electromagnéticos de la misma manera que lo hace la materia visible. No absorbe la luz ni la refleja. Pero estamos bastante seguros de que está ahí. Sin ella, el universo no tiene sentido. Los planetas, los sistemas estelares y las galaxias enteras se comportan como si pesaran casi el doble de lo que parece implicar su masa visible. Hay mucha más fuerza gravitatoria de la que podemos explicar simplemente sumando la masa de los objetos en el espacio.

La brecha entre lo que podemos ver y lo que pensamos que hay se hizo evidente por primera vez a principios del siglo XX. La brecha se hizo más grande a medida que nuestros instrumentos mejoraron. A fines de la década de 1960, Seth Shostak, un astrónomo ahora más famoso por su trabajo sobre SETI:la busqueda de inteligencia extraterrestre— utilizó un conjunto de radiotelescopios en California para determinar que algunas galaxias estaban girando más rápido de lo que indicaban sus estrellas visibles. Shostak luego supuso que las galaxias tenían una masa que no podíamos observar directamente.

Hoy en día, la materia oscura es parte integral de la astronomía. Pero eso no significa que lo entendamos muy bien. Por un lado, no sabemos qué tan uniformemente se distribuye. Es posible que la materia oscura sea más densa dentro de un sistema estelar que en las grandes distancias entre sistemas. También es posible que la materia oscura tenga contornos en el interior un sistema estelar.

El estudio detallado de Zwick de nuestro propio sistema podría ayudarnos a responder esa pregunta, con posibles efectos colaterales en las ciencias espaciales. “Buscar nuevas vías como la que se propone aquí parece muy emocionante”, dijo a The Daily Beast Priyamvada Natarajan, un astrónomo de Yale que se especializa en el mapeo de la materia oscura y no participó en el estudio de la Universidad de Zúrich.

Incluso podríamos decidir si nuestro sistema solar, o incluso solo nuestro rincón del sistema solar, es especial. “Nuestras expectativas actuales para el [dark matter] densidad en la Tierra se basan en observaciones de estrellas alrededor de la galaxia, combinadas con la suposición de que la Tierra se encuentra en una parte bastante típica de la galaxia por su distancia desde el centro galáctico”, Tracy Slatyer, profesora asociada del Centro de Física Teórica en Instituto de Tecnología de Massachusetts, que no participó en el estudio, le dijo a The Daily Beast. «Sería fantástico si pudiéramos probar esa suposición».

La idea de Zwick es lanzar una sonda, o un par de sondas, hacia los objetos grandes más lejanos del sistema solar: los planetas helados Urano y Neptuno.

“Solo Urano y Neptuno son objetivos sensibles, ya que la medición es sensible a la masa total encerrada de materia oscura entre el sol y la nave espacial”, explicó Zwick a The Daily Beast. En otras palabras, cuanto más lejos estén los objetivos de sus sondas, más materia oscura tendrán que atravesar las sondas, y más datos podrán ayudar a recopilar.

Los controladores en tierra rastrearían cuidadosamente las sondas, notando cada pequeño cambio en el rumbo y la velocidad. Registrar esos cambios es el objetivo, en realidad. Cada uno insinúa la influencia de la gravedad, de un planeta, una luna, un asteroide o algo así.

O tal vez incluso de la materia oscura. «La presencia de [dark matter] produciría una fuerza radial proporcional a la masa encerrada dentro de la órbita de la nave espacial”, escribió el equipo de la Universidad de Zúrich.

Si el equipo de Zwick u otros científicos pudieran enviar sondas a los bordes exteriores de nuestro sistema y hacer un seguimiento de ellas durante una década más o menos, y sí, Zwick tiene en mente sondas particulares que podrían lanzarse en los próximos 15 años, podrían tener suficientes datos. para empezar a eliminar las influencias obvias en los viajes de las sondas. Lo que queda podría ser evidencia de materia oscura.

Algunos expertos en materia oscura son escépticos sobre el plan, pero tal vez no por las razones obvias. El costo y la tecnología, los obstáculos habituales para una nueva misión espacial, no son realmente los problemas. Después de todo, la encuesta de Zwick en realidad no requeriría su propia nave espacial. Dado que todo lo que los científicos de la materia oscura deben hacer es rastrear una o dos sondas y construir un modelo de fuerzas gravitacionales sobre ellas, cualquier sonda funcionará siempre que viaje lo suficientemente lejos.

Por lo tanto, tiene más sentido aprovechar las naves espaciales existentes. Simplemente modifique el enlace de radio para obtener mejores datos de telemetría y estará listo para investigar la materia oscura local. “En cierto sentido, solo somos autoestopistas”, dijo Zwick.

Quizás los mejores candidatos sean un par de sondas que la NASA quiere enviar a Urano y Neptuno a fines de la década de 2030. La agencia espacial aún no se ha comprometido por completo con las sondas, por lo que no hay una idea clara de qué instrumentos podrían llevar o exactamente cuándo podrían lanzarse. Mark Hofstadter, científico planetario del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en California, estresado la «importancia de explorar al menos uno de estos planetas y todo su entorno, que incluye lunas heladas, anillos y campos magnéticos sorprendentemente dinámicos».

Zwick y compañía ya están haciendo propuestas a la NASA. “Si podemos presentar un caso lo suficientemente fuerte y convencer a suficientes personas, esperamos que la idea crezca como una bola de nieve y que mejorar el enlace de radio se convierta en una prioridad en la planificación de la misión”, dijo Zwick.

Pero incluso si la NASA firma sin demora, otras complicaciones podrían condenar la misión de materia oscura de Zwick.

Para empezar, es posible que la influencia de la materia oscura en una sonda, incluso una que vuele lejos, sea muy, muy sutil. Quizás demasiado sutil para diferenciarlo de un error de redondeo en nuestros cálculos de influencias gravitatorias conocidas. “No hay forma, que yo sepa, de obtener la sensibilidad necesaria para medir la materia oscura en el sistema solar únicamente a través de sus efectos gravitacionales, a menos que la densidad [of dark matter] es mucho más alto de lo que esperamos”, advirtió Slatyer.

Luego está la posibilidad de fuerzas gravitatorias desconocidas que no son materia oscura. Por mucho que el proyecto propuesto por Zwick sea una cuestión de resta, es absolutamente crítico que entendamos todos los números. Una fuerza previamente desconocida, incluso una minúscula, podría desbaratar todo el proyecto. “La precisión que se necesita lograr en la determinación de los movimientos de los objetos de prueba en el campo gravitatorio es… muy alta”, Francisco-Shu Kitaura, astrofísico del Instituto de Astrofísica de Canarias y de la Universidad de La Laguna que fue t involucrado en el estudio, dijo a The Daily Beast. Incluso Zwick y su equipo admitieron que su propuesta solo funcionaría «si todas las fuerzas que actúan en la nave espacial real están completamente modeladas».

El modelado incompleto estuvo detrás de una de las primeras decepciones de la materia oscura. En 1972, la sonda Pioneer de la NASA se lanzó en una misión a Júpiter. Los controladores detectaron una pequeña aceleración no planificada. Por un momento embriagador, algunos científicos creyeron que era evidencia de materia oscura tirando de la nave. Estaban equivocados. “Al final, la gente se dio cuenta de que la nave espacial estaba emitiendo radiación térmica… lo que provocó que se desviara ligeramente de su trayectoria”, recordó Zwick.

Por supuesto, ya no es 1972. Nuestra tecnología es mejor. Y cuando se trata de materia oscura, tenemos una idea más clara de lo que estamos buscando. Tal vez la misión de Zwick de mapear cosas invisibles, suponiendo que avance, fracase porque no hemos tenido en cuenta todas las visible cosas… todavía.

Pero todavía sería una o dos sondas en la dirección correcta.

El cargo Una misión a Urano y Neptuno es nuestra mejor esperanza para encontrar materia oscura apareció por primera vez en La bestia diaria.

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