Sobre la existencia de Materia Oscura


El problema de la materia oscura tiene aproximadamente un siglo de antigüedad. Desde 1930 se han registrado cada vez más evidencias de que el cosmos está dominado por un "nuevo" tipo de materia desconocida, que mantiene a las galaxias y cúmulos estelares unidos e influye en la estructura cósmica a la más grande escala jamás observada.

A nivel microscópico, no conocemos la composición de esta oscura, o invisible tipo de materia, ya que esta no interactúa directamente con la luz.



La suposición más sencilla afirma que esta materia esta constituida por otra especie de partículas que interactúan con la gravedad, y muy débilmente, con otras partículas elementales ya conocidas.

A pesar de décadas de esfuerzo una partícula de materia oscura aún no ha sido identificada, sin embargo, los nuevos experimentos y desarrollos tecnológicos han permitido alcanzar una sensibilidad tal que hace pensar en un descubrimiento inminente, aunque, debemos estar conscientes de que este hecho no está garantizado.

A continuación expondremos las investigaciones que involucran a tales "nuevas partículas" que se realizan tanto en el espacio exterior, como en los laboratorios ubicados a cientos de metros sobre la superficie terrestre.

La Evidencia

En 1933, el astrónomo Fritz Zwicky trabajaba en el Observatorio del Monte Wilson, California, medía lo que se conoce en Astronomía como la velocidad radial de un grupo de galaxias en el Cúmulo de Coma, esto es, la componente de la velocidad con la que las galaxias se alejaban, o se acercaban a la Tierra, teniendo en cuenta que esta componente no es exactamente la dirección que sigue el objeto en estudio.

Zwicky en su estudio encontró grandes velocidades de dispersión, lo cual indicaba que la densidad del cúmulo estelar era mucho más alta que la esperada, considerando que la investigación tenía como fundamento lo que se conocía hasta entonces, -materia que interactúa con la luz- los resultados arrojaban que había más materia allí de lo que podían observar.

Fritz Zwicky al analizar sus resultados concluye,

Si esto resultase ser cierto, lo sorprendente sería que existe más densidad de materia oscura, que de materia radiante 

En la década de 1970, Vera Rubin y Albert Bosma midieron las curvas de rotación de galaxias espirales a través de imágenes ópticas, y también encontraron evidencia de un componente de masa ausente: las curvas de rotación permanecían planas y su curvatura no cambiaba en sus extremos, como predecía la distribución de materia lumínica por sí sola.

A comienzos de 1980, la evidencia de esta materia no lumínica fue firmemente establecida a escalas galácticas, una vez estudiadas las curvas de rotación de las galaxias más allá de su radio óptico, medidas por radioemisión, usando la espectroscopia del gas hidrógeno neutro.

En las décadas siguientes, la existencia de materia oscura fue inferida debido al incremento de precisas y diversas observaciones, así como también por la realización de simulaciones numéricas que reproducían la formación de la estructura cósmica.

A muy grandes escalas, las mediciones que se realizan sobre galaxias y cúmulos se basan en curvas de rotación más precisas y en métodos complementarios para mapear la masa total de los conglomerados estelares, algunos de estos métodos son: la medición de la velocidad orbital de cada galaxia, la determinación de masa usando el efecto de lente gravitacional y la distribución de gas caliente emisor de rayos X, que permite una medida del potencial gravitacional total.

La Radiación Cósmica de Microondas

El estudio de la radiación cósmica de microondas o CMB, por sus siglas en inglés, un fondo casi uniforme de microondas que nos llega desde todas las direcciones en el cielo, brinda una de más fuertes evidencias de la existencia de materia oscura: nos proporciona un mapa preciso de la densidad de materia en el Universo temprano.


Imagen detallada del Universo temprano creada a partir de 9 años de datos WMPA (Wilkilson Microwave Anisotropy Probe). La imagen revela fluctuaciones de temperatura de 13.77 mil millones de años (que se muestran como diferencias de color) que corresponden a las "semillas" que crecieron hasta convertirse en galaxias.


Las pequeñas fluctuaciones de materia observada, digamos, al nivel de una parte por 100.000 de cuando la radiación fue emitida, creció a través del tiempo debido a la gravedad, y eventualmente, se convirtieron en las "semillas" de las galaxias, y cúmulos estelares que hoy vemos.

La forma de estas fluctuaciones es llamada espectro de potencia, en el espectro de temperatura de CMB (que se presenta en diferentes escalas angulares), se determina siguiendo las oscilaciones del gas caliente en el universo temprano, mientras que las amplitudes y frecuencias de resonancia de estas oscilaciones dependen de la composición del gas

Al analizar detenidamente el espectro de potencia, los cosmólogos determinaron que nuestro universo es espacialmente plano, acelerado y su composición se distribuye en un 5% de materia bariónica, 27% de materia oscura fría, Cold Dark Matter, por sus siglas en inglés, y 68% de energía oscura (Λ) ‡

La materia bariónica es la materia ordinaria que forma planetas, estrellas, galaxias y el gas difuso que se encuentra entre ellas; la energía oscura es una especie de fluido que expande la estructura cósmica, contrarresta la gravedad, y su efecto se observa directamente en la expansión del Universo.

La expansión acelerada fue deducida al comparar el desplazamiento al rojo y la distancia de luminosidad de astros distantes cuya principal característica es que tienen una magnitud absoluta conocida, en Astronomía estos cuerpos reciben el nombre Standard Candles, y los estudiados en esta sección fueron supernovas del tipo Ia.

Este resultado es, hasta ahora, consistente con la existencia de una constante cosmológica, por lo que es lícito afirmar:
La densidad de materia oscura permanece constante en el tiempo. ⸶
Las simulaciones numéricas basado en este modelo estándar de cosmología, llamado modelo ΛCDM (Lambda-Cold Matter) predicen con éxito la formación de estructuras observadas a gran escala.

Buscando Respuestas

A pesar de la vasta cantidad de evidencia, la materia oscura es observada únicamente de forma indirecta, por la influencia gravitacional que ejerce en la materia lumínica, o bariónica. 

Nuestra comprensión de la cantidad, y distribución de materia oscura en diferentes escalas astronómicas -incluyendo nuestra galaxia- ha crecido conforme a los años, pero aún debemos responder la pregunta fundamental: ¿Qué es la materia oscura? Sabemos que no es bariónica, porque las abundancias medidas de elementos ligeros producidas en la nucleosíntesis cosmólogica, es mucho mas pequeña que la densidad de materia total, resultado que fue confirmado con gran precisión gracias al estudio del CMB.

Además, la busca de desvanecimientos de cuerpos astrónomicos, tales como restos estelares, estrellas de poca masa, planetas y agujeros negros, a través del fenómeno de microlente gravitatoria han demostrado que tales objetos, denominados MACHOs (Massive astrophysical compact halo object) no contribuyen sustancialmente al halo oscuro de la Vía Láctea. 

Las curvas planas de rotación y las propiedades sistemáticas de las galaxias pueden ser muy bien explicadas modificando las leyes de gravedad a grandes escalas, por ejemplo, en el marco de la dinámica newtoniana modificada, propuesta por Motti Milgrom en 1983, o como se hizo recientemente, en versiones relativistas, sin embargo, estas teorías alternativas para la materia oscura han fallado en explicar los conglomerados observados en el CMB, además, predicen que los protones y las ondas gravitacionales deben viajar en diferentes trayectorias del espacio-tiempo (geodésicas).

Si los protones y las ondas gravitacionales siguen distintas trayectorias, se evidenciaría un retraso de aproximadamente 800 días entre el tiempo de llegada de las ondas gravitacionales, y las ondas electromagnéticas, cuando estas recorren una distancia de 130 millones de años luz, esta predicción está en marcado contraste con el retraso observado de 1,7 segundos en la reciente detección de ondas gravitacionales y señales de rayos gamma proveniente de la fusión de estrella de neutrones GW170817.

Estos resultados nos sugieren la posibilidad de una realidad más simple, quizá, la materia oscura está hecha de un nuevo tipo de partícula elemental, aún por descubrir.

Referencias

†Zwicky F. 1933 Helvetica Physica Acta 6 110-127

‡Ade P A R et al. (Planck) 2016. Astronomy & Astrophysics 594 A13 (1502.01589)

⸶Frieman J, Turner M. y Huterer D. Annual Review of Astronomy and Astrophysics. 46 385-432 (0803.0982)


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