Materia oscura

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Concepto:Materia hipotética de composición desconocida que no emite o refleja suficiente radiación electromagnética

Materia oscura. En Astrofísica y Cosmología física se denomina materia oscura a la materia hipotética de composición desconocida que no emite o refleja suficiente radiación electromagnética para ser observada directamente con los medios técnicos actuales pero cuya existencia puede inferirse a partir de los efectos gravitacionales que causa en la materia visible, tales como las estrellas o las galaxias, así como en las anisotropías del fondo cósmico de microondas presente en el universo. No se debe confundir la materia oscura con la energía oscura. No todo lo que existe en el universo es visible. Los astrónomos pueden ver directamente todos los objetos astronómicos (como las estrellas) que emiten luz o cualquier otro tipo de radiación electromagnética. Sin embargo, sabemos que existen objetos que no se pueden ver directamente. Por ejemplo: Planetas en otras estrellas; estrellas enanas marrón; agujeros negros; pPartículas elementales que interactúan débilmente (como el neutrino); polvo intergaláctico

Contenido

Características

Las estrellas en algunas  galaxias espirales giran muy rápidamente. Según las leyes de la mecánica  de Newton, la velocidad de una estrella a lo largo de su órbita depende  de la masa de la galaxia contenida dentro de la órbita de la estrella. Sin embargo la masa visible es mucho menor que lo esperado. ¿Dónde está la masa que falta?
Las estrellas en algunas galaxias espirales giran muy rápidamente. Según las leyes de la mecánica de Newton, la velocidad de una estrella a lo largo de su órbita depende de la masa de la galaxia contenida dentro de la órbita de la estrella. Sin embargo la masa visible es mucho menor que lo esperado. ¿Dónde está la masa que falta?

El efecto de lente gravitacional producido por objetos astronómicos no visibles directamente ha servido para revelar de manera muy clara la presencia de materia oscura. La materia normal de la cual están hechos todos los objetos que se observan básicamente, se puede reducir a electrones, protones y neutrones (colectivamente llamados bariones, o materia bariónica).

La cantidad total de materia bariónica en el universo es un parámetro conocido,ya que éste determina la composición de la materia primordial originada en el Big Bang (75% hidrógeno, 25% helio). Si efectivamente vivimos en el universo con masa crítica que predice el modelo inflacionario, entonces apenas una fracción del 1 al 2% sería masa barionica. La fracción restante sería un tipo de materia no-barionica, es decir que no sienten la fuerza nuclear fuerte. Posibles candidatos son el neutrino, y otras partículas elementales que interactúan débilmente.

De acuerdo con las observaciones actuales de estructuras mayores que una galaxia, así como la cosmología del Big Bang, la materia oscura constituye del orden del 21% de la masa del Universo observable y la energía oscura el 70%. Fritz Zwicky la utilizó por primera vez para declarar el fenómeno observado consistente con las observaciones de materia oscura como la velocidad rotacional de las galaxias y las velocidades orbitales de las galaxias en los cúmulos, las lentes gravitacionales de objetos de fondo por los cúmulos de galaxias así como el Cúmulo Bala (1E 0657-56) y la distribución de temperatura de gas caliente en galaxias y cúmulos de galaxias.

Las galaxias en el universo normalmente se agrupan en cúmulos que para mantenerse unidos necesitan de la fuerza de atracción gravitacional producida por una gran cantidad de masa. La masa requerida no se observa. ¿Dónde está?
Las galaxias en el universo normalmente se agrupan en cúmulos que para mantenerse unidos necesitan de la fuerza de atracción gravitacional producida por una gran cantidad de masa. La masa requerida no se observa. ¿Dónde está?

La materia oscura también juega un papel central en la formación de estructuras y la evolución de galaxias y tiene efectos medibles en la anisotropía de la radiación de fondo de microondas. Todas estas líneas de pruebas sugieren que las galaxias, los cúmulos de galaxias y el Universo como un todo contienen mucha más materia que la que interactúa con la radiación electromagnética: lo restante es llamado "el componente de materia oscura".

La composición de la materia oscura se desconoce, pero puede incluir neutrinos ordinarios y pesados, partículas elementales recientemente postuladas como los WIMPs y los axiones, cuerpos astronómicos como las estrellas enanas y los planetas (colectivamente llamados MACHO) y las nubes de gases no luminosos. Las pruebas actuales favorecen los modelos en que el componente primario de la materia oscura son las nuevas partículas elementales llamadas colectivamente materia oscura no bariónica.

Las grandes estructuras que vemos en el universo se formaron a partir de pequeñas irregularidades en la distribución de la materia al momento del big-bang. Más adelante, con la ayuda de la gravedad, estas fluctuaciones se hacen cada vez más fuertes y al final resultan galaxias, cúmulos, etc. Por otro lado, la radiación existente en el universo interactúa con la materia y por lo tanto se ve afectada por estas fluctuaciones. La señal que queda en la radiación de fondo es como una fotografía del universo joven y fue tomada por primera vez por el satélite COBE. El análisis de las fluctuaciones en la radiación de fondo indica que debe existir más materia en el universo de lo que observamos a simple vista. ¿Dónde está la materia que no observamos?
Las grandes estructuras que vemos en el universo se formaron a partir de pequeñas irregularidades en la distribución de la materia al momento del big-bang. Más adelante, con la ayuda de la gravedad, estas fluctuaciones se hacen cada vez más fuertes y al final resultan galaxias, cúmulos, etc. Por otro lado, la radiación existente en el universo interactúa con la materia y por lo tanto se ve afectada por estas fluctuaciones. La señal que queda en la radiación de fondo es como una fotografía del universo joven y fue tomada por primera vez por el satélite COBE. El análisis de las fluctuaciones en la radiación de fondo indica que debe existir más materia en el universo de lo que observamos a simple vista. ¿Dónde está la materia que no observamos?

El componente de materia oscura tiene bastante más masa que el componente "visible" del universo. En el presente, la densidad de bariones ordinarios y la radiación en el Universo se estima que son equivalentes aproximadamente a un átomo de hidrógeno por metro cúbico de espacio. Sólo aproximadamente el 5% de la densidad de energía total en el Universo (inferido de los efectos gravitacionales) se puede observar directamente. Se piensa que en torno al 23% está compuesto de materia oscura. El 72% restante se piensa que consiste de energía oscura, un componente incluso más extraño, distribuido difusamente en el espacio.Alguna materia bariónica difícil de detectar realiza una contribución a la materia oscura, aunque algunos autores defienden que constituye sólo una pequeña porción.

Aun así, hay que tener en cuenta que del 5% de materia bariónica estimada, la mitad de ella todavía no se ha encontrado, por lo que se puede considerar materia oscura bariónica: Todas las estrellas, galaxias y gas observable forman menos de la mitad de los bariones que se supone debería haber y se cree que toda esta materia puede estar distribuida en filamentos gaseosos de baja densidad formando una red por todo el universo y en cuyos nodos se encuentran los diversos cúmulos de galaxias. Recientemente (mayo de 2008) el telescopio XMM-Newton de la Agencia Espacial Europea ha encontrado pruebas de la existencia de dicha red de filamentos.

La determinación de la naturaleza de esta masa ausente es uno de los problemas más importantes de la cosmología moderna y la física de partículas. Se ha puesto de manifiesto que los nombres "materia oscura" y la "energía oscura" sirven principalmente como expresiones de nuestra ignorancia, casi como los primeros mapas etiquetados como "Terra incógnita".
En un sistema binario formado por una estrella y un agujero negro, los dos cuerpos se mueven en una órbita en torno a un centro común. El agujero negro no se ve,pero la estrella si se puede ver. Debido al movimiento de la estrella en torno al centro del sistema binario, desde la Tierra se ve como si ésta se alejara y acercara cíclicamente. Este fenómeno se ha confirmado observando el efecto Doppler de la luz emitida por la estrella
En un sistema binario formado por una estrella y un agujero negro, los dos cuerpos se mueven en una órbita en torno a un centro común. El agujero negro no se ve,pero la estrella si se puede ver. Debido al movimiento de la estrella en torno al centro del sistema binario, desde la Tierra se ve como si ésta se alejara y acercara cíclicamente. Este fenómeno se ha confirmado observando el efecto Doppler de la luz emitida por la estrella

Observaciones experimentales

La primera persona en proporcionar pruebas e inferir la existencia del fenómeno que se ha llamado "materia oscura" fue el astrofísico suizo Fritz Zwicky, del Instituto Tecnológico de California (Caltech) en 1933. Aplicó el Teorema de Virial al cúmulo de galaxias Coma y obtuvo pruebas de masas no visibles. Zwicky estimó la masa total del cúmulo basada en los movimientos de las galaxias cerca de su borde. Cuando comparó esta masa estimada con una basada en el número de galaxias y con el brillo total del cúmulo, encontró que había unas 400 veces más masa de la esperada. La gravedad de las galaxias visibles en el cúmulo estaría lejos de ser demasiado pequeña para tal velocidad de órbita, con lo que se necesita algo adicional. Esto es conocido como el "problema de la masa desaparecida". Basándose en estas conclusiones, Zwicky infirió que tendría que haber alguna forma de materia no visible que proporcionaría suficiente masa y gravedad para soportar el cúmulo conjuntamente.

Muchas de las pruebas de la materia oscura vienen del estudio de los movimientos de las galaxias. Muchas de estas parecen ser bastante uniformes, con lo que el teorema de virial de la energía cinética total debería ser la mitad del total de la energía gravitacional de enlace de las galaxias. Experimentalmente, sin embargo, se ha hallado que la energía cinética total es mucho mayor: en particular, asumiendo que la masa gravitacional es debida sólo a la materia visible de la galaxia, las estrellas alejadas del centro de las galaxias tienen velocidades mucho mayores que las predichas por el teorema de virial.

La curva de rotación galáctica que ilustra la velocidad de rotación frente a la distancia del centro de la galaxia, no se puede explicar sólo mediante la materia visible. Asumiendo que la materia visible forma sólo una pequeña parte del cúmulo es la manera más sencilla de tener en cuenta esto. Las galaxias muestran signos de estar compuestas principalmente de un halo de materia oscura concentrado centralmente con una simetría casi esférica con la materia visible concentrada en un disco en el centro. Las galaxias de brillo débil superficial son fuentes importantes de información para el estudio de la materia oscura, ya que tienen una baja relación de materia visible frente a materia oscura y tienen unas cuantas estrellas brillantes en el centro que daña las observaciones de la curva de rotación de estrellas periféricas.

De acuerdo con los resultados publicados en agosto de 2006, la materia oscura se ha observado por separado de la materia ordinaria[ a través de medidas del Cúmulo Bala, realmente dos cúmulos de galaxias cercanos que colisionaron hace unos 150 millones de años. Los investigadores analizaron los efectos de las lentes gravitacionales para determinar la masa total de la distribución en la pareja y compararon con los mapas de rayos X de gases calientes, que se pensaban que constituían la gran mayoría de la materia ordinaria en los cúmulos. Los gases calientes interactuaron durante la colisión y permanecieron cerca del centro. Las galaxias individuales y la materia oscura no interactuaron y están más alejadas del centro.

El Dr. Myungkook James Jee y sus colegas anunciaron el 15 de mayo de 2007 el descubrimiento de un anillo pequeño de materia oscura de 2,6 millones de años luz de ancho que envuelve al CL0024+17, un gran cúmulo de galaxias a unos 5.000 millones de años luz. La observación de su materia oscura estaba en el camino de su efecto de lente gravitacional en la luz que venía desde detrás del cúmulo como si fue vista por la ahora rota Cámara avanzada para sondeos (ACS) del Telescopio Espacial Hubble. Richard Massey del Caltech, editor de un mapa de materia oscura con medio millón de Galaxias, dice que este anuncio sólo viene de un instrumento y que "la señal es muy débil. Algunas personas aún creen que no es más que un truco". Los estudios que lo confirmen tendrán que esperar hasta que el James Webb Space Telescope sea lanzado en 2013 a menos que la ACS del Hubble se repare por una misión espacial.

Hechos experimentales

Existen cuatro hechos experimentales que afirman la existencia de materia oscura, ellos son:

  • Curvas de rotación galáctica
  • Velocidad de dispersión de galaxias
  • Materia perdida en cúmulos de galaxias
  • Formación de estructuras

Composición

Aunque la materia oscura fue detectada por lentes gravitacionales en agosto de 2006,muchos aspectos de la materia oscura continúan siendo especulativos. El experimento DAMA/NaI afirma haber detectado directamente materia oscura pasando a través de la Tierra, aunque muchos científicos siguen siendo escépticos al respecto, ya que los resultados negativos de otros experimentos son (casi) incompatibles con los resultados del DAMA si la materia oscura consiste en neutralinos.

Los datos de varias líneas de pruebas, como el problema de la rotación de las galaxias, las lentes gravitacionales, la formación de estructuras y la fracción de bariones en cúmulos y la abundancia de cúmulos, combinada con pruebas independientes para la densidad bariónica, indican que el 85-90% de la masa en el Universo no interactúa con la fuerza electromagnética. Esta "materia oscura" se evidencia por su efecto gravitavional. Se han postulado varias categorías de materia oscura.

  • Materia oscura bariónica.
  • Materia oscura no-bariónica que está dividida en tres tipos diferentes:
  • Materia oscura caliente: partículas no bariónicas que se mueven ultrarrelativistamente.
  • Materia oscura templada]]:partículas no bariónicas que se mueven relativistamente.
  • Materia oscura fría :partículas no bariónicas que no se mueven relativistamente.

Davis y otros escribieron en 1985:

Las partículas candidatas se pueden agrupar en tres categorías basándose en su efecto en las fluctuaciones del espectro (Bond et al. 1983). Si la materia oscura está compuesta de abundantes partículas ligeras que son relativistas hasta poco antes de la recombinación, entonces deberían ser denominadas "calientes". El mejor candidato para la materia oscura caliente es el neutrino [..]
Una segunda posibilidad es que las partículas de materia oscura interactúen más débilmente que los neutrinos, sean menos abundantes y tengan una masa del orden de 1eV. Tales partículas se denominan "materia oscura templada", porque tienen menos velocidad térmica que los neutrinos masivos [..] actualmente hay unas pocas partículas candidatas que cumplen esta descripción. Los gravitinos y los fotinos se han sugerido (Pagels y Primack 1982; Bond, Szalay y Turner 1982) [..]

Cualquier partícula que se convierta en no-relativista muy pronto y así pueda reflejarse a una distancia insignificante, es llamada materia oscura fría. Hay muchos candidatos para la materia oscura fría como las partículas supersimétricas.

La materia oscura caliente consiste en partículas que viajan con velocidades relativistas. Se conoce un tipo de materia oscura caliente, el neutrino. Los neutrinos tienen una masa muy pequeña, no interactúan a través de fuerzas electromagnéticas o de la fuerza nuclear fuerte y son por tanto, muy difíciles de detectar. Esto es lo que les hace atractivo como materia oscura. Sin embargo, los límites de los neutrinos indican que los neutrinos ordinarios sólo hace una pequeña contribución a la densidad de materia oscura.

La materia oscura caliente no puede explicar cómo las galaxias individuales se formaron del Big Bang. La radiación de fondo de microondas medida por el COBE y el WMAP, es increíblemente lisa, indica que la materia se ha agrupado en escalas muy pequeñas. Las partículas de movimiento rápido, sin embargo, no pueden agruparse en tales pequeñas escalas y, de hecho, suprimen la agrupación de otra materia. La materia oscura caliente, aunque ciertamente existe en nuestro Universo en forma de neutrinos, es por tanto, la única parte de la historia.

El Modelo de Concordancia necesita que, para explicar la estructura en el Universo, es necesario invocar la materia oscura fría (no-relativista). Las grandes masas, como los agujeros negros del tamaño de galaxias pueden ser descartados con las bases de los datos de las lentes gravitacionales. Las posibilidades involucrando materia bariónica normal incluyen enanas marrones o tal vez pequeños y densos pedazos de elementos pesados, como objetos que son conocidos como Objetos de tipo halo masivos compactos (massive compact halo object) o "MACHOs". Sin embargo, los estudios de la Nucleosíntesis del Big Bang han convencido a muchos científicos de que la materia bariónica como los MACHOs no pueden ser más que una pequeña fracción de la materia oscura total.

En el presente, el punto de vista más común es que la materia oscura es principalmente no-bariónica, compuesta de una o más partículas elementales distintas de las normales electrones, protones, neutrones y los neutrinos conocidos. Las partículas propuestas más comunes son los axiones, neutrinos estériles y WIMPs (partículas masivas de interacción débil, incluyendo neutralinos). Ninguna de éstas es parte del modelo estándar de física de partículas, pero pueden aparecer en extensiones al modelo estándar. Muchos modelos supersimétricos ocasionan naturalmente los WIMPs en forma de neutralinos. Los pesados, neutrinos estériles existen en extensiones del modelo estándar que explica la pequeña masa de los neutrinos a través del mecanismo del balancín.

Las búsquedas experimentales de estos candidatos a materia oscura han sido llevadas a cabo y siguen adelante. Estos esfuerzos se pueden dividir en dos grandes categorías: detección directa, en los que las partículas de materia oscuras se observan en un detector y la detección indirecta, que busca los productos de las aniquilaciones de materia oscura. Los experimentos de detección de materia oscura han descartado algunos modelos de WIMP y axiones. También hay varios experimentos reclamando pruebas positivas de la detección de materia oscura, como el DAMA/NaI y el Egret, pero estas están lejos de ser confirmadas y difíciles de reconciliar con los resultados negativos de otros experimentos. Varias búsquedas de la materia oscura están actualmente en proceso, como la Cryogenic Dark Matter Search en la Mina de Soudan y el experimento XENON en Gran Sasso y muchas nuevas tecnologías que están en desarrollo, como el experimento ArDM.

En investigaciones publicadas completamente en la primavera de 2006, los investigadores del Instituto de Astronomía de la Universidad de Cambridge afirman haber calculado que la energía oscura sólo viene en cúmulos mayores de 1.000 años luz de radio, implicando una velocidad media para las partículas de materia oscura de 9 km/s, una densidad de 20 amu/cm³ y una temperatura de 10.000 kelvins.

Problema

Estimaciones basadas en los efectos gravitacionales de la cantidad de materia presente en el Universo sugieren, consistentemente, que hay mucha más materia de la que es posible observar directamente. Además, la existencia de materia oscura resolvería varias inconsistencias en la teoría del Big Bang. Se cree que la mayoría de la masa del Universo existe en esta forma. Determinar cuál es la naturaleza de la materia oscura es el llamado "problema de la materia oscura" o "problema de la masa desaparecida" y es uno de los más importantes de la cosmología moderna.

La cuestión de la existencia de la materia oscura puede parecer irrelevante para nuestra existencia en la Tierra pero el hecho de que exista o no afecta al destino último del Universo. Se sabe que el Universo está expandiéndose, por el corrimiento al rojo que presenta la luz de los cuerpos celestes distantes. Si no hubiera materia oscura, esta expansión continuaría para siempre. Si la actual hipótesis de la materia oscura es correcta, y dependiendo de la cantidad de materia oscura que haya, la expansión del Universo podría ralentizarse, detenerse o, incluso, invertirse (lo que produciría el fenómeno conocido como Big Crunch). La importancia de la materia oscura para el destino final del Universo, sin embargo, se ha relativizado en los últimos años, en que la existencia de una constante cosmológica y de una energía oscura parece tener aún mayor importancia. Según las mediciones realizadas en el 2003 y en 2006 por el satélite WMAP, la expansión del Universo se está acelerando, y se seguirá acelerando debido a la existencia de la energía oscura, aunque sin causar un Big Rip.

Presencia en la cultura popular

En algunos videojuegos y otros trabajos de ficción aparecen menciones a la materia oscura. En tales casos, normalmente se le atribuyen propiedades físicas o mágicas extraordinarias. Tales descripciones a menudo son inconsistentes con las propiedades de la materia oscura propuestas en la física y la cosmología. Por ejemplo:

  • La serie de televisión Futurama, en la que la materia oscura es maloliente, sirve de combustible a las naves espaciales y es tan densa que 10 cm³ pesan más de 5000 kilogramos. Los niblonianos expelen materia oscura a manera de deshechos fecales.
  • En los videojuegos de GBA y Nintendo DS Golden Sun II: La Edad Perdida y Golden Sun: Oscuro Amanecer, la materia oscura aparece como un material que puede ser utilizado para fabricar equipamiento de batalla.
  • En el videojuego de Wii Super Mario Galaxy, la materia oscura aparece con la propiedad de crear agujeros en suelos, agujeros que "proyectan" la materia oscura, y finalmente, con una propiedad particular de desintegrar a quien la toque (en este caso Mario o Luigi).
  • En el videojuego MMORPG Maple Story, la materia oscura aparece como un objeto que se consigue por Cash, que con la culminación de ciertas misiones, dan ciertos equipamentos y armas raras y ventajosas.
  • En la saga Final Fantasy la materia oscura es un item usado para crear pociones, armas, otros tipos de artefactos.
  • En el videojuego para N64 Kirby 64: The Cristal Shards el enemigo es un ser llamado "Dark Matter" (materia oscura en español) que parece estar compuesto de esta misma.
  • En el videojuego para GC Metroid Prime 2: Echoes la historia transcurre entre un planeta y su semejante creado a partir de energía oscura. Tanto la protagonista como algunos enemigos son capaces de usar materia oscura como armamento.
  • En el videojuego para SNES Chrono Trigger, Magus tiene la última técnica denominada dark matter (o en español "materia oscura").
  • En el juego online Ogame, es una materia escasa que se encuentra fuera de los sistemas solares usada para pagar mejoras que no pueden poseer otros jugadores que no la posean.
  • En el videojuego para PS2 Final Fantasy XII, la materia oscura es un objeto muy poderoso que puede usarse para atacar a los enemigos.
  • En la trilogía de libros "La materia oscura" de Philip Pullman, la materia oscura es capaz de transmitir mensajes para comunicarse con los humanos, también es el motivo por el cual el magisterio (en el mundo de Lyra) experimenta con niños, en el mundo de Lyra Lenguadeplata, la materia oscura es conocida como "El polvo".

Fuentes