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Materia oscura

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Materia oscura
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Presentación

Materia Oscura del Universo. Distribución en 3D de la materia oscura en la zona del Universo estudiada realizada por astrónomos americanos han estado utilizando el telescopio Hubble. La teoría actual sobre la detección de ésta materia se llama "supersimetría", que explica las interacciones fundamentales de las partículas, demostrando la existencia de la materia oscura, aunque, hasta ahora, ningún estudio ha sido completamente explicativo. Las observaciones se realizaron para poder detectar la materia, y parece ser que el telescopio es lo suficientemente sensible para captar la señal de éstas partículas. Sin embargo, para resultados concretos, faltan al menos tres años, según el estudio que ha sido bautizado como CDMS. Para que la materia oscura exista, es necesario que todas las partículas sean neutras, estables y que no interactúen con ningún otro tipo de materia. A estas partículas de la materia oscura se les llama WIMPS (partículas masivas que interactúan débilmente). La mayoría de estos estudios trabajan con en el xenón y el germanium, pues tienen esta clase de partículas. Por eso se les mantiene en lugares aislados para evitar se mezclen con otros elementos. Existen otras investigaciones, como una llamada Axion Materia Oscura, de la Universidad de Washington, que utilizaron un imán superconductor para buscar éstas partículas, pero sus investigaciones no han llegado a nada concluyente. A pesar de las dificultades para encontrar la materia oscura, los científicos no están desanimados y tienen la creencia que la respuesta sobre su existencia, su conformación y otras preguntas, están a un par de años de distancia. Fuente: Scientific American. Foto: ESA

En astrofísica y cosmología física se denomina materia oscura a la hipotética materia que no emite suficiente radiación electromagnética para ser detectada con los medios técnicos actuales, pero cuya existencia se puede deducir 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.[1]

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Contenido

No se debe confundir la materia oscura con la energía oscura. De acuerdo con las observaciones actuales (2010) de estructuras mayores que una galaxia, así como la cosmología del Big Bang, la materia oscura constituye del orden del 21% de la masa-energía del Universo observable y la energía oscura el 70%.

La materia oscura fue propuesta por Fritz Zwicky en 1933 ante la evidencia de una "masa no visible"2 que influía en las velocidades orbitales de las galaxias en los cúmulos. Posteriormente, otras observaciones han indicado la presencia de materia oscura en el universo: estas observaciones incluyen la citada velocidad de rotación de las galaxias, las lentes gravitacionales de los objetos de fondo por los cúmulos de galaxias, tales como el Cúmulo Bala (1E 0657-56) y la distribución de la temperatura del gas caliente en galaxias y cúmulos de galaxias.

La materia oscura también desempeña 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 pruebas sugieren que las galaxias, los cúmulos de galaxias y todo el Universo contiene 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, 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.

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 estima 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. Aún así, hay que tener en cuenta que del 5% de materia bariónica estimada (la mitad de ella todavía no se ha detectado) 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. En 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 no visible es una de las cuestiones 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".

La diferencia entre Materia oscura y energía oscura

La materia oscura, la energía oscura y la antimateria son tres cosas absolutamente distintas. La antimateria es como la materia común de la que estamos hechos, pero conformada por partículas cuya carga eléctrica es de signo contrario. Por ejemplo, un anti-electrón (por razones históricas también conocido como positrón), es una partícula igual al electrón, con su misma masa y carga pero de signo eléctrico positivo (el electrón tiene carga negativa). Y un anti-protón es una partícula con la misma cantidad de masa y carga de un protón, pero con carga de signo eléctrico negativo. La antimateria se forma con antipartículas: del mismo modo que un átomo de hidrógeno consiste en un electrón orbitando alrededor de un protón, si juntáramos un anti-protón con un anti-electrón podríamos tener un átomo de anti-hidrógeno, lo cual ha sido logrado en el CERN, por fracciones de segundo.

La materia oscura: Los planetas del sistema solar están en equilibro en una órbita alrededor del Sol, y para que este equilibrio se mantenga la fuerza de gravedad que ejerce el Sol sobre cada uno tiene que ser la justa y necesaria; si la fuerza aumentara atraería demasiado al planeta y el Sol lo engulliría, y si disminuyera, el planeta no sería atraído lo suficiente y saldría despedido del sistema. Más específicamente hay tres variables que deben estar balanceadas: la masa del planeta, su distancia al Sol, y la velocidad con que da vueltas alrededor de éste. Ésta es una ley general llamada conservación del momento angular, que se aplica a todas las cosas y no sólo al sistema solar, incluyendo las galaxias. Ahora bien, nuestra galaxia está hecha de miles de millones de estrellas que giran alrededor del centro, nuestro sol siendo una de ellas. Y así como los planetas de nuestro sistema solar guardan cierto equilibro entre su distancia al Sol, su masa y su velocidad orbital, del mismo modo las estrellas de nuestra galaxia y todos los cuerpos celestes, nebulosas y materia en todas sus formas, también deberían cumplir ese mismo balance entre su distancia al centro de la Vía Láctea, su masa y la velocidad orbital. Pero a simple vista esto deja de respetarse a medida que nos alejamos del centro de la galaxia, a pesar de que todo sigue estando en equilibrio. La explicación más simple es que en realidad la ley sí se cumple, lo que sucede es que hay mucha masa “escondida” que por algún motivo no podemos ver, que sería la necesaria para que la ley se mantenga en pie. A esta masa invisible la llamamos materia oscura, por razones obvias. Creemos que está ahí pero ignoramos su naturaleza.

Hay otros fenómenos físicos que también delatan su existencia, además del mencionado, como por ejemplo las lentes gravitacionales, pero hay bastante debate al respecto. Incluso podría terminar siendo cierto que efectivamente nuestra querida ley de conservación no se aplica a gran escala, o bien hay fallos en otras leyes relacionadas, aunque es poco probable.

La energía oscura: El Universo está, como sabemos, en expansión desde el Big Bang. Pero las galaxias ejercen una fuerza de gravedad entre ellas mismas que tiende a acercarlas entre sí, y por lo tanto a frenar la expansión del Universo. Hasta hace poco no estábamos seguros de si esta fuerza era suficiente para frenar la expansión (y eventualmente volver a comprimirlo todo, como un Big Bang inverso), o si por el contrario no era suficiente, en cuyo caso lo único que lograría sería disminuir la velocidad de la expansión. Sin embargo, en la década de 1990 se descubrió que la fuerza de atracción entre las galaxias ni siquiera alcanza para esto último. El Universo se expande cada vez más rápido, lo cual nunca habríamos esperado, porque para esto hace falta algo que lo esté acelerando. Y si hay una aceleración, tiene que deberse a alguna fuerza por ahora misteriosa. A la energía que produce esta fuerza, absolutamente incomprendida, le llamamos energía oscura.

Artículos

La materia oscura podría no ser “tan oscura”

La materia oscura sigue siendo uno de esos grandes (gigantescos, monstruosos) misterios del universo que no sabemos resolver. Su nombre se debe a que no hay manera de interactuar con ella. No podemos "iluminarla", detectarla directamente ni trastear con ella. Y sin embargo estamos bastante seguros de que constituye el 21% de la materia del universo (el otro 70% correspondería a la energía oscura). Pero, por primera vez en la historia, los científicos creen haber encontrado la prueba de que la materia oscura también interacciona con algo más que la gravedad. ¿Y con qué? Pues con la propia materia oscura. Esto, que puede parece una obviedad, no lo es en absoluto y sería capaz de mostrarnos una clave más de su naturaleza para poder entenderla.

Usando el telescopio Hubble, los investigadores se han dedicado a observar qué ocurre cuando chocan dos galaxias. La materia oscura, grosso modo, "envuelve" a las galaxias, como una nube de cobertura, invisible. Hasta el momento se pensaba que el choque de dos galaxias no producía más que una "recolocación" de la materia oscura. Sin embargo, los últimos resultados muestran que en un cúmulo de galaxias, denominado Abell 3827, situadas a 1.300 millones de años luz de aquí, la materia oscura ha salido despedida al chocar con más materia oscura.

Parte de la materia oscura del cúmulo habría "salido despedida"

Los resultados explican que la materia oscura de un cúmulo habría reaccionado con la de otro cúmulo, repeliéndose. Para comprobarlo se puede utilizar la radiación de fondo, que se deforma con la gravedad, la cual es trastocada por la materia oscura. De esta manera podemos calcular que la materia oscura de parte del cúmulo se "ha retrasado" unos 5.000 millones de años luz de su posición teórica. Esto implica que la materia oscura no es tan inerte como creíamos y que es capaz de reaccionar. Solo hay que saber con qué y cómo lo hace. Al menos parece que la propia materia oscura sí reacciona con sí misma. Es un pequeño paso que puede abrirnos muchísimas puertas a los conocimientos del universo. O no.

Esa misma pregunta se hacen cientos o miles de físicos a cada momento mientras miran el cielo o el fondo de su taza de café. Y es que nadie lo sabe a ciencia cierta. Fue propuesta en el 33 por el astrónomo Fritz Zwicky ante la inquietante presencia de una masa extraña que parecía provenir de la nada. La única interacción que se conocía hasta la fecha de la materia oscura consistía en ciertos efectos gravitacionales que influían en cosas como la velocidad orbital de las galaxias. Ahora, a la luz de los acontecimientos, sospechamos que podría haber algo más entre tanta incógnita y la materia oscura se dignaría a reaccionar entre sí. El hecho de que no interaccione con nada implica que no podamos observarla. No emite radiación, no se puede ver, no se puede "oír", estamos bastante seguros de que no se podría oler (suena gracioso, pero es real) y, por descontado, no se puede tocar. Pero está ahí. Sabemos que está ahí por que usamos las lentes gravitacionales para observar cosas que están demasiado lejos para mirarlas.

¿Y por qué nos importan tanto algo que es tan escurridizo?

Bueno, obviando el hecho de que es un misterio interesantísimo, la materia oscura, como explicábamos antes, supone el 21% de la materia del universo. Es más del doble de la materia que conocemos, llamada exótica (sí, eres un pedazo de materia exótica). Creemos que la materia oscura juega un papel fundamental en la formación y estabilidad del universo, "pegando" las galaxias entre sí, y no sabemos qué más. Precisamente por ello queremos saberlo. Pero, además, como comentábamos, la materia oscura tiene aplicaciones prácticas ya que nos permite observar mejor el universo que nos rodea. Es como una misteriosa herramienta a la que podemos echar mano siempre que necesitemos mirar el cielo. Queda muchísimo por descubrir de la materia oscura. Muchísimo. De hecho puede que nunca lleguemos a saber qué es realmente y cómo actúa en el universo. Pero al menos ahora estamos un poquito más cerca.[2]

La NASA encuentra la prueba de la materia oscura

La materia oscura y la materia normal han sido separadas a raíz de la tremenda colisión de dos grandes grupos de galaxias. El descubrimiento, utilizando Chandra de la NASA Observatorio de rayos X y otros telescopios, ofrece evidencia directa de la existencia de la materia oscura.

Este es el evento cósmico más enérgico, además del Big Bang, que nos conocemos” dijo el miembro del equipo de Maxim Markevitch del Centro Harvard, para Astrofísica en Cambridge , Massachusetts.

Observaciones no dan la evidencia más fuerte de que la mayor parte de la materia del universo es oscura. Aunque a pesar de la evidencia, algunos científicos han propuesto teorías alternativas de la gravedad en el que es más fuerte en escalas intergalácticas que las predichas por Newton y Einstein, eliminando la necesidad de la materia oscura. Pero estas teorías no se pueden explicar los efectos observados de esta colisión.

Un universo que está dominado por la materia oscura parece absurdo, así que quería comprobar si había algún defecto básico en nuestra forma de pensar “, dijo Doug Clowe de la Universidad de Arizona en Tucson, y líder del estudio. “Estos resultados son una prueba directa de que la materia oscura existe.”

En los cúmulos de galaxias, la materia normal los planetas y todo en la Tierra, se encuentra principalmente en forma de gas caliente y estrellas. La masa del gas caliente entre las galaxias es mucho mayor que la masa de las estrellas en todas las galaxias. Esta materia normal está ligada en la agrupación por la gravedad de una masa aún mayor de la materia oscura. Sin la materia oscura, que es “invisible” y sólo se puede detectar a través de su gravedad, las galaxias se mueven rápidamente y el gas caliente que volaba rápidamente aparte.

Este resultado también entrega a científicos confianza que la gravedad newtoniana familiar en la Tierra y en el sistema solar también funciona en las grandes escalas de los cúmulos de galaxias.[3]

La Tierra podría estar rodeada de largos filamentos de materia oscura

Según un reciente estudio de la NASA, nuestro planeta podría estar rodeado de largos filamentos de materia oscura que puede que nos ayuden a conocer los fundamentos de este esquivo y abundante componente del universo.

La Tierra rodeada de materia oscura.png

Como sabemos, hasta ahora ni la materia oscura ni la energía oscura han podido ser detectadas directamente, pero los científicos no cesan en su empeño de desentrañar este misterio. Así, Gary Prézeau, físico del Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) en Pasadena, California (EEUU), realizó una serie de simulaciones por ordenador para averiguar de qué forma interactúa la materia oscura cuando se acerca a la Tierra.

Las simulaciones de Prézeau revelaron que cuando una corriente de materia oscura pasaba a través de un planeta, esta corriente se convierte en un filamento ultra denso de materia oscura, por lo que en la Tierra no debería ser diferente y se encontraría rodeada de cabellos brotando de la misma, curvando esta corriente en un estrecho y ultradenso filamento.

Simulaciones previas habían adelantado que la materia oscura forma "corrientes de grano fino" compuestas por partículas que se mueven a la misma velocidad y orbitan galaxias como la nuestra.

El estudio concluye que cuando se acercan a cuerpos como los planetas las corrientes de materia oscura se concentran en filamentos "ultradensos", denominados "cabellos", y asegura también que podría haber muchos de ellos brotando de la Tierra.

Prézeau detalla que esos filamentos tendrían "raíces", con la concentración más elevada de materia oscura, y "puntas", donde terminarían. De esta manera, cuando las partículas de materia oscura atravesaran el núcleo de la Tierra se concentrarían en la raíz del cabello, que estaría alrededor de un millón de kilómetros de la superficie y donde la densidad sería mil millones de veces mayor que la media.

El investigador sugiere que, si se pudiera localizar la raíz del filamento, se podría enviar ahí una sonda para obtener datos y estudiar la materia oscura.Aunque no ha sido detectada directamente, los científicos están seguros de la existencia de la materia oscura al observar los efectos de su gravedad en acción.

Así, la teoría principal sostiene que la materia oscura es "fría", dado que no se desplaza demasiado, y "oscura", puesto que no produce o interactúa con la luz.

La curvatura del espacio podría inducir la desintegración de partículas de materia oscura

El único efecto de la materia oscura observado hasta ahora es la intensa atracción gravitatoria que esta misteriosa sustancia ejerce sobre las estrellas y las galaxias. En concreto, tal y como deja adivinar su nombre, la materia oscura no absorbe ni emite luz, por lo que suele decirse que las hipotéticas partículas que la componen no interaccionan con los fotones ni con las demás partículas ordinarias.

No obstante, si lo anterior fuese estrictamente cierto, las partículas de materia oscura serían imposibles de detectar más allá de sus efectos gravitatorios. De hecho, la mayoría de los modelos sí contemplan algún tipo de interacción entre la materia oscura y la ordinaria, solo que una muy débil: de tanto en tanto, algunas partículas de materia oscura se desintegrarían y se convertirían en fotones, neutrinos o antimateria. Hasta ahora, sin embargo, nadie ha conseguido atisbar ningún indicio claro de esos débiles destellos que, en caso de producirse, deberían emanar de aquellas regiones en las que existe una gran acumulación de materia oscura, como el centro galáctico.

¿Qué ocurriría si la materia oscura fuese realmente estable y no interaccionase en absoluto con las partículas del modelo estándar?

En un artículo publicado hace unos días en Physical Review Letters, Oscar Catà, de la Universidad Ludwig Maximilian de Múnich, y Alejandro Ibarra y Sebastian Ingenhütt, de la Universidad Técnica de Múnich, han considerado dicha posibilidad. Los investigadores demuestran que, a pesar de la ausencia de interacciones directas, una amplia familia de modelos sigue prediciendo la conversión de partículas de materia oscura en partículas ordinarias. Dichas desintegraciones estarían inducidas por la curvatura del espacio, la manifestación de la gravedad según la teoría de la relatividad general de Albert Einstein.

Lo anterior se debe a que, aunque la materia oscura no interaccione con las partículas ordinarias, sí debe hacerlo con la gravedad, ya que esta fuerza es universal y, de hecho, es la única conocida a través de la cual se han observado los efectos de la materia oscura. En general, el acoplamiento entre la materia oscura y la gravedad podría ser de dos clases: del tipo que los físicos llaman «mínimo» o más complejo. Sin embargo, Catà y sus colaboradores argumentan que, a menos que algún nuevo principio físico lo prohíba, lo natural es esperar que esas interacciones más complejas estén presentes. El nuevo acoplamiento sería proporcional a la curvatura del espacio e induciría, por medio de lo que los investigadores denominan un «portal gravitatorio», la conversión de partículas de materia oscura en partículas ordinarias, incluso en ausencia de interacciones directas con ellas.

El nuevo escenario exhibe varias consecuencias genéricas; entre ellas, que las tasas de desintegración de las partículas de materia oscura se verían suprimidas por potencias de la masa de Planck, y que las frecuencias relativas entre los distintos modos de desintegración solo dependerían de un parámetro libre: la masa de la partícula de materia oscura. A modo de ejemplo sencillo, los autores consideran la posibilidad de que la materia oscura se componga de un solo tipo de partícula escalar (de espín cero, como el bosón de Higgs). En ese caso concreto, el hecho de que hasta ahora no se hayan observado desintegraciones de materia oscura impone límites muy estrictos al modelo: según los investigadores, los datos apuntarían a la existencia de algún mecanismo encargado de suprimir las interacciones no mínimas entre la materia oscura y la gravedad.

Más información en Physical Review Letters[4]. Una versión del artículo técnico se encuentra disponible en el repositorio arXiv[5].

Fuentes y Enlaces de Interés

  1. wikipedia/Materia_oscura
  2. astroblogspain/2012 10 21/Materia y Energia Oscura
  3. enigmatictime/La Materia Oscura del Universo/Cons 5 nov 2015
  4. journals.aps.org/Dark Matter Decays from Nonminimal Coupling to Gravity Oscar Catà, Alejandro Ibarra, and Sebastian Ingenhütt
  5. arxiv.org/Dark matter decays from non-minimal coupling to gravity

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