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Ecos del futuro

Reflexiones sobre ciencia, economía, ecología, política y comportamiento humano

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    2006-2017

    Pedro J. Hernández



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  • Inicio > Historias > Materia oscura

    Materia oscura

    En el inventario de materia-energía del universo los planetas y estrellas cuentan sólo un 0,4%. Aún considerando todos los átomos del gas que podemos detectar, las cuentas sólo alcanzan hasta el 4,6% del total.




    Quizás no seamos buenos contables y el resto se nos haya escabullido en forma de objetos rocosos, enanas marrones o agujeros negros. Pero las evidencias de las que disponemos en la actualidad apuntan desde distintos frentes a la existencia de dos componentes misteriosos que con cierta falta de imaginación se denominan materia oscura y energía oscura. Sobre la energía oscura --más que misteriosa-- podemos decir que representa en estos momentos el mayor problema conceptual de toda la física teórica. Por eso la dejaremos a un lado y hablaremos de la algo más asequible como la materia oscura. La razón es que está de actualidad porque podemos tener entre manos la primera detección directa de las partículas que la forman. Pero vayamos por partes.

    El problema de la materia oscura no es nuevo. En 1933 Fritz Zwicky determinó las velocidades de las galaxias en un cúmulo. Las distancias y tiempos característicos del movimiento en los cúmulos son tan inmensos para los patrones humanos que sólo disponemos de una instantánea de las galaxias. Pero en realidad un cúmulo puede ser visto como un grupo enorme de partículas moviéndose en todas direcciones análogamente a los átomos de un gas. La velocidad media de las partículas de un gas está relacionada con la temperatura. La velocidad media de las galaxias en el cúmulo es una medida de la gravedad en el cúmulo y por ende de su masa total --que es la que produce la gravedad--.

    Aprovechemos el siguiente applet para mostrar este fenómeno. Los puntos representan 30 galaxias en un cúmulos con velocidades determinadas por el empuje gravitatorio de las otras galaxias. Una galaxia que alcanza el borde exterior de la simulación rebota con el objetivo de no perder galaxias en la simulación. En un cúmulo real la galaxia obviamente se seguiría alejando. Si aumentamos la masa del cúmulo --lo que puede hacer el lector en la barra de desplazamiento--, aumentan las fuerzas gravitatorias y las galaxias empiezan a moverse mucho más deprisa (lo que tomará unos segundos mientras las galaxias aceleran). La velocidad media de las galaxias es por tanto una medida de la masa media del cúmulo.



    Zwicky encontró de esta forma que la masa típica de los grandes cúmulos de galaxias era al menos 10 veces mayor que la esperable del inventario del gas intergaláctico --la mayor contribución a la materia ordinaria del cúmulo de galaxias--.

    A finales de los sesenta y principios de los setenta, Vera Rubin empezó a medir curvas de rotación galáctica, es decir, la velocidad de las estrellas a medida que nos alejamos del centro de una galaxia. La mayoría de la materia ordinaria de una galaxia se sitúa cerca del centro, disminuyendo la densidad a medida que nos vamos hacia los bordes. En realidad, al igual que la atmósfera de la Tierra no tiene bordes definidos sino que se lo ponemos arbitrariamente cuando la densidad baja de un cierto valor, con las galaxias ocurre algo similar. Considerando esa distribución de materia ordinaria, podemos hacer una predicción de la forma que tendrá la curva de rotación.

    El lector puede experimentar con diferentes distribuciones de masa usando el siguiente applet



    El círculo rojo central representa la masa interior y los círculos azules externos --de masa despreciable-- representan objetos en rotación dentro de la galaxia.

    Se puede cambiar la masa interior así como el tamaño de la región donde ésta queda distribuida. La masa central puede encontrarse dentro de un pequeño radio o estar más esparcida, de tal manera que las órbitas internas caigan en su interior. En dicho caso la parte interna de la galaxia rota como un sólido y la velocidad aumentará con la distancia de forma proporcional.

    Resulta interesante percatarse que eligiendo una masa lo suficientemente alta con un tamaño lo bastante bajo se puede observar que las órbitas interiores giran tan rápido que se produce un efecto de movimiento retrógrado, justo del mismo tipo que el que podemos ver a veces en las películas cuando las ruedas de una carreta parecen girar al revés.

    Es importante notar además que:

    • Objetos a diferentes distancias no rotan a la misma velocidad
    • Las velocidades de rotación están representadas a la derecha; la gráfica muestra lo rápido que giran las diferentes partes de la galaxia a medida que nos alejamos del centro.
    • Cuánto mayor es la masa interior, mayor es la velocidad de rotación de la galaxia.
    • En las partes externas de la galaxia, la velocidad de rotación cae rápidamente de la misma manera que caen las velocidades de los planetas exteriores del Sistema Solar.

    Pero las observaciones indican otro tipo de curvas de rotación con una velocidad que se niega a disminuir a medida que nos alejamos del centro.




    y sólo compatible con dos posibles situaciones:

    • Existe una componente de materia invisible que está distribuida más uniformemente a lo largo de toda la galaxia
    • Bien las leyes dinámicas --las leyes de Newton-- o la teoría gravitatoria utilizada no es correcta en este contexto.

    Si bien existe tanto alguna posible alternativa dinámica como MOND y alguna teoría gravitatoria alternativa como Gravedad Conforme --no libres de muchísimos problemas conceptuales-- antes de tirar una teoría tan precisa como la Relatividad General es conveniente explorar la primera posibilidad. ¿Tenemos razones de peso para ser conservadores y concentrarnos en esa dirección?. En la segunda entrada de esta serie exploraremos las evidencias que apuntan precisamente a que ese es el camino con mayores probabilidades de éxito.

    Continúa en MACHOs y exoplanetas

    2008-04-23 21:05 | Astronomia, Fisica | 2 Comentarios


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    Comentarios

    1
    De: Pedro J. Fecha: 2010-08-21 01:33

    A ver si en algún momento restauro los applets java. Mientras, últimas noticias del cosmos propone unas actividades con un script interactivo



    2
    De: Pedro J. Fecha: 2010-11-14 02:13

    Restaurados los applets java.



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