Materia oscura 1 [Antonio Burgos]

Unos de los descubrimientos más fascinantes de los muchos de estas últimas décadas sobre la composición y la arquitectura del universo, ha sido que la materia de la que estamos compuestos, y  que es la misma que forman las estrellas, galaxias, y todo lo que podemos detectar con  nuestros sofisticados aparatos, supone una mínima parte, del orden del 4%, de todo lo que conforma el universo. No sólo eso, si no que tenemos gran seguridad de que  el 96% restante no está formado por nuestros familiares protones, neutrones y electrones. Lo que sabemos es que no tenemos ni idea de que está compuesto.

Sabemos que un 23% es un tipo de materia distinta, una materia exótica, (aunque bien visto los exóticos somos nosotros) de la que desconocemos su naturaleza; solo sabemos que, al igual que la materia  “normal”, es afectada por la gravedad. El  73% restante es una extraña energía que en un alarde de originalidad, recibe el nombre de energía oscura, impregna todo el universo y es la responsable de que este se expanda aceleradamente. (gráfico 1)

¿Pero cómo hemos obtenido estos conocimientos que nos llevan a un universo tan aparentemente absurdo? Centrémonos en la materia oscura.

Allá por los años treinta del siglo xx, un astrónomo suizo-americano llamado Fritz Zwicky  estaba estudiando cúmulos de galaxias que, como ya sabemos por otros artículos de este blog, son agrupaciones de cientos o miles de galaxias ligadas por la fuerza de la gravedad; en particular el llamado cúmulo de Coma, que podemos ver en la siguiente figura.

Zwicky se percató de que los miembros del cúmulo tenían velocidades demasiado altas para seguir ligadas al grupo. Con esas velocidades tendrían que haber salido disparadas hace mucho tiempo. Del mismo modo que si lanzásemos desde la Tierra un objeto hacia arriba con una  velocidad superior a 11 km/seg, este saldría disparado y no volvería a caer. Si permanecían atadas al grupo era porque la fuerza de atracción gravitatoria era más fuerte y había más masa de la que podíamos observar.

Y concluyó diciendo que si su estudio estaba en lo cierto la cantidad de materia oscura que tendría que haber sería mucho mayor que la de materia luminosa.

En principio, esta materia perdida  no tendría por qué ser nada exótica; podría estar formada por grandes cantidades de gas o cualquier cosa conocida que simplemente no podemos detectar.

Estos trabajos de Zwicky pasaron desapercibidos en su tiempo. Hay que tener en cuenta que en aquellos años no se había inventado ni el radar, que hubo de esperar hasta la segunda guerra mundial, ni ninguno de los dispositivos de los que disponemos hoy en día para explorar la radiación de alta energía, como los rayos x, que es lo que emite el muy caliente gas intergaláctico.

En los años 70, la astrónoma Vera Rubin descubrió algo importante al estudiar el movimiento de las estrellas alrededor del centro de las galaxias.

Al igual que los planetas se mueven alrededor del Sol, las estrellas lo hacen alrededor del centro galáctico, siempre que supongamos que la mayor parte de la masa de la galaxia está concentrada en el núcleo central. Y esperamos que su movimiento sea parecido, pues se basa en las mismas leyes de la gravitación. Es una consecuencia de estas leyes que cuanto más lejos están los cuerpos del Sol más lentos se mueven.  Así Mercurio tarda 88 días en completar su órbita, la Tierra un año, Marte casi dos años y Urano y Neptuno 84 y casi 165 años respectivamente. Por lo tanto, a medida que nos alejamos del centro galáctico, las estrellas deberían moverse más lentamente.

Un gráfico de este fenómeno sería la curva azul de la figura siguiente que se llama curva de rotación, donde vemos que al aumentar R, sobre el eje horizontal, que es la distancia al centro, la velocidad, medida en el eje vertical, va decayendo rápidamente. (ver gráfico 2, arriba) 

Lo que vio Vera Rubin fue lo que aparece en la parte roja del gráfico. A medida  que aumenta la distancia al centro la velocidad de las estrellas permanece casi igual.

O bien las leyes de la gravitación no son correctas o la masa que rige el movimiento no es únicamente la que está concentrada en el núcleo galáctico, si no que hay materia oculta que provoca este efecto.

La primera posibilidad, la incorreción de las leyes de la gravedad a distancias galácticas, es tomada en consideración. De hecho hay algunos astrónomos que investigan esa idea, pero los tiros más plausibles van por el otro lado.

Efectivamente, se sabe desde hace tiempo que las galaxias están rodeadas de un halo de grandes dimensiones, principalmente de gas que no es luminoso en luz visible, pero detectable en otros tipos de ondas electromagnéticas, como vemos en la bella Galaxia de Sombrero en la siguiente figura.

O la Galaxia del Cigarro tal como luce en el infrarrojo.

En estos halos también existen otro tipo de objetos a los que, con cierto sentido del humor, les han llamado MACHOs, acrónimo en inglés que significa  “objeto astrofísico masivo compacto del halo“. Estos pueden ser  estrellas poco brillantes, las llamadas enanas marrones, o estrellas viejas y débiles procedentes de la fusión con otras galaxias satélites más pequeñas, o agujeros negros poco masivos, o planetas aislados.

El problema es que la masa aportada por el gas y estos objetos MACHOs no es suficiente para explicar las curvas de rotación. Hace falta más, mucha más materia; pero será una materia especial que ni emite ni absorbe radiación y que ni siquiera interacciona con ella misma. Sólo es afectada por la gravedad.

Volviendo a los cúmulos que estudiaba Zwicky, se descubrió que, como él pensaba, había grandes cantidades de gas entre las galaxias; un gas extremadamente caliente, del orden de millones de grados, detectable en rayos x.

Esto que en principio parece una solución para la masa perdida complica realmente la cosa. ¿Por qué?

Veamos: Cuando en astrofísica se habla de alta temperatura de por ejemplo, 7 millones de grados, estamos hablando de altas velocidades de las partículas, no estamos diciendo que allí hace mucho calor. En realidad, situados en ese lugar, estaríamos en un vacío mucho más perfecto que el  conseguido  jamás en la Tierra. Allí hay densidades de sólo algunos átomos por metro cúbico. Nos golpearía de allá para cuando alguna partícula y no sentiríamos ningún calor, pues sentimos calor cuando nuestra piel es golpeada continuamente por partículas veloces.

Y para que esas partículas de altísima velocidad no se escapen del cúmulo, necesitamos una masa mucho mayor que la conocida que mantenga el cúmulo compacto. Masa proporcionada por  materia que ni emite ni absorbe ni interacciona con la radiación, solamente con la gravedad.

Aquí vemos el ya conocido cúmulo de Coma a la izquierda en luz visible y a la derecha en rayos x. Los colores de esta última foto lógicamente son falsos e indican la intensidad de los rayos x.

Este es el cúmulo llamado El Gordo donde en falso color azul se ve la emisión en rayos x del gas intergaláctico a temperatura de millones de grados.

Esta enorme cantidad de gas caliente no puede ser mantenida por la gravedad de esas galaxias. Se necesita muchísima más masa para mantener esa “bolsa” compacta.

Es interesante hacer notar que las cantidades de materia oscura para un cúmulo estimadas a partir de las velocidades de las galaxias y a partir de la temperatura de la nube de gas son consistentes entre sí, lo que nos hace confiar en su existencia.

Tenemos más pruebas, aportadas por fenómenos cósmicos realmente sorprendentes, como son las llamadas LENTES GRAVITACIONALES que avalan la presencia de la materia oscura. Pero de eso hablaremos en el próximo capítulo.

Antonio Burgos Díaz

 

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