Materia oscura, la evidencia

El problema de la materia oscura es uno de los más profundos acertijos en la física de nuestros días. Con el paso del tiempo se ha acumulado evidencia de su existencia, sin embargo aún no sabemos con toda certeza cuál es su origen o de qué está hecha. Hace unos días salió en el arXiv un preprint titulado “Dark Matter: A Primer” por K.Garret y G. Duda, el cual es una excelente referencia sobre los aspectos básicos de la materia oscura. El artículo no requiere mayor conocimiento técnico. Un estudiante de licenciatura podría leerlo sin mayor dificultad. A continuación comparto algunas notas que tomé del mismo.

Casi el 80% de la materia total en el universo es materia oscura. El 20% restante es la materia común y corriente que todos podemos ver y tocar; es el aire que respiramos, es la responsable de la bioquímica de nuestros cuerpos, es la materia que forma todo objeto que nos rodea. A esta materia se le conoce como materia bariónica y está formada por las partículas cuyos nombres aprendimos desde pequeños: protón, neutrón y electrón. Las primeras dos están formadas por tres quarks cada una. A las partículas constituidas por tres quarks se les llama bariones, de allí el nombre materia bariónica.

Si todo lo que nos rodea es materia bariónica, ¿cómo sabemos que existe la materia oscura?

Lentes gravitacionales

La evidencia viene de observaciones astronómicas del espacio exterior. El término materia oscura alude al hecho de que esta materia que no emite ni refleja luz, motivo por el cual no es posible observarla. Por esta razón, podría ser que la materia oscura fuera materia bariónica concentrada en objetos que no emiten luz, tales como estrellas enanas cafés, estrellas de neutrones, agujeros negros o planetas. Estos astros reciben el nombre conjunto de MACHO’s (MAsive Compact Halo Objects). Como veremos más abajo, la idea de que la materia oscura esté formada por MACHO’s es descartada por las lentes gravitacionales.

El efecto de la lente gravitacional es una predicción de la teoría de la relatividad general de Einstein. Básicamente, toda forma de energía experimenta la fuerza producida por un campo gravitacional. La luz emitida por objetos distantes transporta energía. Al pasar por las cercanías de una estrella o cuerpo masivo, el campo gravitacional de éste tuerce la trayectoria del rayo de luz; similar a lo que sucede cuando la luz pasa por una lente común. Este torcimiento de la luz estelar es muy pequeño, pero puede ser medido y con ello podemos calcular la cantidad de materia o masa necesaria para que el rayo de luz fuera levemente doblado. Si la materia oscura está formada por MACHO’s, debería ser posible observar su presencia mediante el efecto de lentes gravitacionales.

Hace unos años, la colaboración MACHO observó 11.9 millones de objetos estelares y encontró que sólo 13 ó 17 de ellos eran posibles lentes gravitacionales. El experimento EROS-2 observó 7 millones de estrellas con un sólo candidato de para ser lente gravitacional. Esta enorme cantidad de datos rechaza la idea de que la materia oscura esté formada por enanas cafés, estrellas de neutrones y agujeros negros. No existe ningún otro tipo de objeto estelar hecho de materia bariónica que pueda explicar la materia oscura. La evidencia de esta afirmación viene de la teoría de nucleosíntesis del Big Bang y de la radiación cósmica de fondo.

Evidencia cosmológica

En la teoría del Big Bang, la nucleosíntesis se refiere al período que dura desde unos segundos hasta unos minutos después de la gran explosión, durante el cual los protones y neutrones se combinaron para formar los elementos livianos: deuterio (hidrógeno pesado), helio y litio (que son los tres primeros elementos de la tabla periódica). De hecho, uno de los triunfos de la teoría del Big Bang es que las concentraciones observadas de elementos livianos concuerdan con aquellas predichas por la teoría. En especial, la razón entre la cantidad de deuterio e hidrógeno (D/H) depende de la densidad de bariones en el universo. De tal forma, al medir la razón D/H se está midiendo la abundancia de bariones, que es 20% del total de la densidad de materia en el universo.

La radiación cósmica de fondo es otra de las predicciones de la teoría del Big Bang, confirmada con gran precisión. Después del Big Bang, el universo estaba compuesto por un plasma de fotones y partículas cargadas. A medida que el universo se expandía el plasma se iba enfriando. Después de 380,000 años, el universo se había enfriado lo suficiente y entra en la llamada época de recombinación, para permitir que las partículas cargadas formaran átomos eléctricamente neutros. Esto permite que el universo sea transparente a la radiación electromagnética. Los fotones emitidos en ese momento viajan desde entonces libremente por el espacio, dando origen a la radiación cósmica de fondo.

En los 90’s, el satélite COBE nos mostró que la radiación de fondo es muy uniforme, con pequeñísimas variaciones de 1 parte en 100,000. Estas variaciones tienen dos orígenes. La primera es a gran escala, debida a la densidad de materia. A mayor densidad, mayor es el pozo de potencial gravitacional que el fotón tiene que escalar, por lo que pierde más energía que un fotón que escapa de una región de baja densidad de materia. La segunda es a menor escala, originada por el ciclo de compresión y expansión que el plasma experimentaba a causa de la atracción gravitacional y su antagonista, la presión; respectivamente. La fase del ciclo en la cual los fotones se desacoplaron de la materia, determina la temperatura de los mismos. Estas sutiles variaciones indican la cantidad de bariones presentes en la época de recombinación. Las regiones de alta densidad fueron las semillas primordiales alrededor de las cuales se dio lugar la formación de estructuras a gran escala en el universo.

El problema de la variaciones de la radiación cósmica de fondo es que son demasiado pequeñas como para que las estructuras a gran escala (cúmulos de galaxias) hayan tenido tiempo de formarse. Las observaciones indican que cierto tipo de materia neutra es necesaria para empezar la formación de estructuras mucho antes de la recombinación. De las mediciones más precisas de la radiación cósmica efectuadas por el satélite WMAP se puede calcular que esa cantidad de materia oscura presente en el universo es un 83%.

Otra fuente de evidencia viene del conteo de galaxias. Las estructuras a gran escala del universo son las pequeñas fluctuaciones magnificadas por la materia oscura. Esta distribución de galaxias está relacionada con el espectro de la radiación cósmica. Los resultados de conteos de galaxias del Sloan Digital Sky Survey y del Galaxy Redshift Survey concuerdan también con las mediciones de la radiación cósmica y las predicciones de la nucleosíntesis del Big Bang.

Las simulaciones por computadora (N cuerpos) de formación de estructuras, también apoyan la existencia de materia oscura. Sin materia oscura estas simulaciones no forman los filamentos y vacíos que se ven en las observaciones del Sloan Digital Sky Survey. Más aún, el tipo de materia oscura necesaria es de tipo no relativista, es decir, materia oscura fría (cold dark matter).

En los últimos años, la prueba irrefutable de la materia oscura es el cúmulo de la Bala, el cual es sitio de colisión de dos cúmulos de galaxias. La materia bariónica está concentrada en nubes de gas que emiten rayos X al chocar. El observatorio de rayos X Chandra ha detectado dicha radiación, gracias a la cual se ha logrado mapear las regiones de alta densidad de materia bariónica. Por otra parte, mediante el efecto de lente gravitacional también se han mapeado las regiones de alta densidad de materia total (bariónica + oscura). El resultado: las regiones de materia bariónica no coinciden con las de materia total. Es decir que existe más materia de la que se puede ver, tal como se muestra en la figura de abajo.

El color azul representa la distribución de materia oscura. El color rojo muestra la localización de la materia bariónica. Foto tomada de astronomy picture of the day

Investigación en proceso

¿De qué esta hecha la materia oscura? ¿Qué tipo de partícula es la materia oscura? Estas son el tipo de interrogantes que aún no tienen una respuesta definitiva. La materia oscura es uno de los retos contemporáneos fundamentales para entender el universo. No cabe duda que vivimos tiempos emocionantes para cualquiera que se decida a estudiar física. 🙂

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7 respuestas a Materia oscura, la evidencia

  1. Alba Díaz Albo dijo:

    Sin un alarde de imaginación que ilumine definitivamente la hipótesis pendiente sobre las propiedades de la materia primordial (MATERIA OSCURA, éter, quintaesencia, hilen, etc.), y hablo de una hipótesis capaz de liberarnos, como hiciera la cuántica, de todo residuo de la fisica clásica, sus leyes y formas materiales conocidas siempre bajo el peso de la “partícula inicial”: llámese quarks y sus agentes bariónicos (protones y neutrones), electrones incluso sin olvidar las “cuerdas”, difícilmente y hasta puede que imposible resultará explicar ¿qué se ondula?
    QUÉ SE ONDULA y qué causas determinan la creación de movimientos ondulatorios capaces de confluir esferoidalmente en el seno de la materia primordial y provocar las contracciones puntuales, los tensores temporales, causa de la materia ponderable y de la llamada gravitación que no es sino que la resistencia permanente de la materia primordial al movimiento.
    La propuesta de los Ciclos Galácticos nos acerca al límite, con su estado incesante de creación y destrucción formal, pero sin dar ni un paso que permita vislumbrar QUE SE ONDULA Y CÓMO.

  2. Pingback: El recuento y el pronóstico « GuateCiencia

  3. JunGonzales dijo:

    Weno soy un aficionado y he visot un video acerca de lo que hablas en este post…. estas cosas de la nucleosintesis no se refiere solo a los elementos estan constituidos de Helio e Hidrogeno?? , y todo esto no tiene que ver con el problema de la planeidad??… bueno si son retos que ace mucho se han presentado…. entonces que me esperen k ia voy 😀

    Pd: Gracias x el post y el blog k sta muy bueno…. pocos transmiten su conocimiento tan libremente… x lo menos en mi pais

    • Enrique dijo:

      JunGonzales,

      La nucleosíntesis del Big Bang explica la formación de los elementos más livianos, hidrógeno (deuterio), helio y litio. Estos tienen núcleos compuestos por unos pocos neutrones y protones. El problema del universo plano es una de las motivaciones para el mecanismo de la inflación. Todas estos detalles están relacionados unos con otros al final dando un modelo coherente.

      Saludos!

      • ESTUARDO dijo:

        ENERGIA OSCURA

        Además de la materia oscura, mencionan mucho en los documentales de la existencia de energía oscura, la cual es de origen desconocido y tiende a separar las galaxias unas de otras. Los científicos predicen que habrá un “gran desgarramiento” causando la desintegración de la materia (bariónica) otros piensan que las galaxias estarán tan separadas que el universo se tornará sumamente frio.
        Hubble descubrió la expansión del universo, ¿es dicha energía oscura la causante de dicha expansión?

        Saludos.

        • Enrique dijo:

          En esencia, así es. La energía oscura es la causante de la acelerada expansión del universo. Las galaxias se irán separando cada más unas de otras hasta que ya no se pueda ver nada. Eso es lo que nos dice la evidencia y los modelos actuales.

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