Arrojando luz sobre la materia oscura I

Vivimos en un universo que tiene una característica intrínseca «Se ha empeñado en sorprendernos».  En realidad se sorprende a sí mismo, ya se sabe, somos la parte de este universo que se ha empeñado en entenderlo todo, esta es la primera sorpresa.

Dejando la filosofía barata de lado, una de las mayores sorpresas de nuestro universo es que al mirar cuanta materia contiene, nuestros pobres y familiares protones, neutrones, electrones (lo que llamaremos materia bariónica)  conforma sólo una fracción minúscula de lo que entendemos en nuestro universo.  Gran parte de la materia de la que tenemos evidencia gravitacional no podemos detectarla por otros medios, es decir, no interactúa de forma usual con la materia que nos rodea.  Principalmente no emiten ondas electromagnéticas, no emiten luz, y por eso la llamamos materia oscura.

Vamos a ir poniendo un conjunto de entradas para explicar por qué necesitamos de esta materia, cuales son los posibles candidatos y cómo esperamos detectar su existencia de manera directa.  Luego discutiremos brevemente un anuncio de un experimento científico que ha dicho que posiblemente haya detectado materia oscura pero que desgraciadamente ha sido eclipsado por los dichosos neutrinos veloces.

Esperamos que esto arroje luz sobre el tema de la materia oscura.

¿Por qué materia oscura? Orígenes Históricos.

Resulta que uno puede hacer estimaciones de las masas de las galaxias (hay una relación entre la masa de un objeto y su luminosidad, no entraremos en detalles y esperaremos a que un astrofísico nos ilumine… uppss!!) y allá por la década de los años 30 un tal Jan Oort estaba midiendo la velocidad de las estrellas en la galaxia.  Pero había un detalle extraño, la velocidad era tal que les permitiría escapar de la atracción de la galaxia a no ser que esta tuviera un 80% de masa invisible de más.  Su conclusión fue que seguramente un 80% de la luz se perdía por el camino porque se bloqueaba con nubes de polvo u otras cosas, así que había un error en el cálculo de la masa galáctica.

Otra indicación de que algo no cuadraba fue encontrada por Fritz Zwicky. Este señor y su grupo estaban estudiando la dispersión de las galaxias en el cluster (grupo de galaxias) de Coma a unos simpaticos 320 millones de años luz aproximadamente de donde nos encontramos. Uno puede calcular la masa de dicho cluster simplemente aplicando la ley de Newton de la gravitación.  Lo que encontraron fue curioso, básicamente la masa de cada elemento del grupo (en promedio) alrededor de masas solares.  Sin embargo, los estudios de masa y luminosidad indicaban que había una masa que rondaba únicamente el 2% del valor anterior.  Es decir, había un 98% de masa en ese cluster que no emitía radiación.

Volvamos a repetir:

–  Masa calculada a través de las velocidades de las galaxias en el cluster y la ley de la gravedad nos da un valor de Masas solares.

–  Masa calculada a través de la relación masa/luminosidad nos da un valor de masas solares.

Hay un 98% de la masa en el cluster que no emite radiación y no puede ser contada a través de su luminosidad.

Pero aún hay más, Vera Rubin se empeñaron en estudiar la velocidad de rotación de alrededor de 60 galaxias. Por métodos elementales (leyes de Kepler y ley de Newton) sabemos que la velocidad (lineal) de rotación ha de decrecer cuando aumenta la distancia al centro. Sin embargo, aquí viene la sorpresa de nuevo, lo que se encontró fue que la velocidad de rotación de las estrellas de una galaxia aumentan con la distancia hasta que llegan a un determinado punto donde dicha velocidad se mantiene constante (es lo que se llama curvas de rotación planas o el problema de las curvas de rotación).

Es decir, si uno atiende a la relación masa/luminosidad todo se debería de comportar como dictan las leyes de Kepler y Newton, como se ve en la figura.

Lo que se encuentra es muy diferente, es que la velocidad no disminuye sino que llega un momento en el que se estabiliza.  La explicación a este fenómeno es simple, para que esto se produzca la galaxia debe de contener más materia de la que vemos radiar (es decir, materia que no tiene luminosidad, materia oscura).

Este comportamiento no es específico de una galaxia en concreto, se muestra en muchas observaciones.  Véase las siguiente figura:

Otra evidencia más para todo esto.  Como sabemos la Relatividad General nos dice que la gravedad es un efecto de la distorsión en la geometría del espaciotiempo.  Por tanto las trayectorias de una partícula en dicho espaciotiempo se verán afectadas respecto a lo que sería un comportamiento «normal».  Por ejemplo, si uno lanza un rayo de luz en un espacio donde no hay campo gravitatorio, geometría del espaciotiempo plana, este rayo se propagará en línea recta.  Si por el camino pasa por una fuente gravitacional de importancia, la trayectoria se curvará por efecto de la geometría, esto se conoce como efecto lente gravitatoria:

De hecho esta fue una de las primeras comprobaciones de la relatividad general gracias a un eclipse acaecido el 19 de Mayo del 1919.  En él se observó la que la posición de una estrella cambiaba aparentemente cuando el sol se interponía entre ella y la tierra.

1.- Uno mide la posición de la estrella en el cielo de noche.

2.- Luego medimos la posición de la misma estrella (que identificamos por su luminosidad y espectro) cuando el sol se interpone y vemos que su posición se ha desviado tal y como predice la relatividad general.

Pues bien, esto se puede dar también con objetos más distantes en los que se interponen galaxias en su camino.  Los rayos de luz se desvían y vemos copias múltiples del mismo objeto.

Resulta que el ángulo de desviación viene esencialmente determinado por la masa del objeto interpuesto, en este caso de la galaxia.  Y vuelve a pasar que las desviaciones observadas corresponden a masas muy superiores a las que se extraen por el método de Masa/Luminosidad.  Y siempre en la misma proporción, 98% de más masa que la que uno obtiene por el método de la luminosidad.  Por tanto, hay mucha masa en la galaxia que no genera radiación electromagnética y por tanto es oscura.

Por lo tanto, hay que explicar estas discrepancias que son ciertamente persistentes y obtenidas por diferentes métodos.  Cerramos aquí esta entrada presentando el problema y en las siguientes relacionadas hablaremos de los posibles candidatos a materia oscura así como de teorías que han sido propuestas para explicar estos hechos sin necesidad de recurrir a la introducción de nuevos y exóticos tipos de materia.

Esperamos haber sabido transmitir el por qué hay un problema que conduce a pensar que hay más materia de la que vemos y haber incrementado vuestra curiosidad al respecto.

Nos seguimos leyendo…

Continua en:  Arrojando luz sobre la materia oscura II