18 de noviembre de 2009

Materia Oscura

Materia Oscura

Fritz Zwicky (1898 – 1974) fue un astrofísico bastante agresivo y muchos de sus colegas de aquel entonces, lo consideraban como un “farsante molestoso”, pero también incomprendieron que en cierta forma era un genio


En contra posición a Zwicky (arriba izquierda) Walter Baade (1893-1960) fue más bien tranquilo, un observador brillante con un excelente conocimiento. Ya que normalmente polos opuestos se atraen, fue casi inevitable, que ambos se encontrarn en Mount Wilson y también aprendieron a apreciarse. Su principal interés eran la Novas, también discutían intensivamente sobre algunas erupciones especialmente luminosas, que llamaban Supernovas. En estos días también fue descubierto el neutrón y Zwicky postuló en 1933, a base de meros razonamientos sobre la existencia de estrellas de neutrones, descubriendo él mismo con el corre de los tiempos 123 de estas estrellas.

En el mismo año, Zwicky midió corrimientos al rojo del cúmulo de galaxias Coma. Pero estas eran mayores, que las esperadas, según la velocidad de expansión de Hubble del universo. Zwicky concluyó esto, que junto al movimiento Hubble debería existir otro movimiento propio de las galaxias dentro de este cúmulo. Ya en aquella época pudo calcular la cantidad de masa que tenían estas galaxias dentro de este cúmulo. Basado en las leyes de Newton, él determinó, cuán rápido debía ser ese movimiento, pero los corrimientos al rojo indicaban velocidades mucho más altas. De esto modo, Zwicky llegó a la conclusión, que en el cúmulo Coma debía haber por lo menos diez veces más masa que aquella que se podía observar por la materia luminosa en forma de estrellas. ¡Para aquella época una declaración casi herética!

_____________________________________________

Si se observa a una galaxia a través de un telescopio, entonces, esta al contrario de las estrella, aparece como un pequeño disco, como un objeto plano, Por esto se puede abarcar, desde el centro de la galaxia hasta su borde exterior, punto por punto el espectro. El movimiento propio de las estrellas o de las nubes de gas, causan una difusión de las líneas espectrales, de las cuales el perito junto a la velocidad de fuga también puede determinar los movimientos propios del sistema estelar. Con esto se obtiene un perfil de la velocidad sobro todo el ancho de la galaxia, la tal llamada curva de rotación.

Las velocidades así medidas, de acuerdo a las leyes gravitacionales de Newton, deberían decrecer con la raíz cuadrada de la distancia. Pero la teoría no concuerda aquí con los hechos: las velocidades de rotación medidas de las estrellas/nubes alrededor del centro galáctico generalmente se mantienen constante e incluso aumentan hacia el exterior.
¿Ya no tienen validez las leyes físicas? Esto no puede ser la razón, sabemos que son válidas en todas partes del universo. Es como so la galaxia estaría sufriendo un efecto gravitacional de una materia muy lejana…
______________________________

Y justamente esta es la causa para estas demasiadas altas velocidades orbitales. Esta invisible y por este llamada materia oscura (Dark Matter, “DM”), es posible comprobar en muchas galaxias, incluso en nuestra Vía Láctea. Nuestro sistema solar circunda al centro de la Vía Láctea con 220 [Km./s], esto son 792 000 [Km./h]. Esto corresponde a una enorme fuerza centrífuga, y esta debe ser compensada por una gravedad correspondientemente enorme, si no, el sistema solar hace tiempo ya habría sido expulsado fuera de la galaxia.

Materia luminosa Materia oscura

Por lo tanto entre nosotros y el centro galáctico debe existir una correspondiente gran masa, para desarrollar la fuerza de tracción necesaria, Si, sin embargo, sumamos toda la masa visible, con sorpresa nos damos cuenta que existe muy demasiado poca de ella. Por lo tanto debe existir otra cosa “allá afuera”, que sujeta a nuestro sistema solar, y con esto tenemos otro indicio más del misterioso fenómeno. La materia oscura no delata con nada su existencia, ella no emite ningún tipo de radiación. Sin embargo esta masa debe ser gigantesca, se estima que debe ser entre 5 a 10 veces mayor que toda la masa observable de la galaxia.

Si observamos la Vía Láctea, de inmediato nos llama la atención las zonas oscuras en esta cinta de estrellas, que se tragan toda la luz de las estrellas que se encuentran detrás de ella. ¡Esto no es materia oscura! Aquí más bien se trata de densas nubes de gas y polvo, que si emiten radiaciones. Dentro de la galaxia se puede encontrar la materia oscura (Incluso, nuestros cuerpos podrían ser atravesados por incontables partículas de esta materia exótica, sin que nos demos cuenta), de igual modo podría rodear a la galaxia como un halo.

Con la gentil autorización de NASA y STScl

También en los cúmulos de galaxias se puede calcular la presencia de la materia oscura, tiene entre 5 y 10 veces más masa que la materia luminosa. Aquí vemos el cúmulo galáctico Abell 2218 a unos 3 mil millones de años luz de distancia en la constelación del Dragón. Como espectros aparecen uno arcos – el cúmulo actúa como un lente gravitacional. A este efecto sólo se puede llegar, si contiene mucho más masa que aquella que podemos ver. ¡Otro indicio de la existencia de materia oscura!


De investigaciones actuales de la misión WNAP hoy se deducen la composición en el unive4rso, como sigue:

Materia luminosa “normal”: 4%
Materia oscura: 23%
Energía oscura: 73% (que aún es más misteriosa y tiene un capítulo aparte).

Junto a los hechos arriba mostrados, existen aún más argumentos para la real existencia de la materia oscura:














Fuente: ROSAT

En el cúmulo de galaxias Abell 3528, el satélite de rayos X ROSAT descubrió una gigantesca nube de gas, que tiene una temperatura de 10 millones [K]. Las galaxias de este cúmulo están caracterizadas como puntos negros. Un gas tan caliente a sólo puede ser mantenido dentro de un cúmulo, si la gravitación muestra valores suficientemente altos. La materia visible luminosa no alcanza ni lejos, para esto. También en Abell3528 debe existir escondido una gran cantidad de materia oscura.
____________________

Preguntémonos ahora: ¿De que podría estar compuesta la materia oscura? Aquí se nos presentan varias soluciuones. Para empezar podemos preguntar en general:

1.- ¿La materia oscura, podría ser materia (bariónica) “normal”, sólo que no la podemos ver?

2.- ¿Podría existir materia “exótica” que nos proporciona una explicación?

3.- ¿Podría ser, que las leyes de gravedad de Newton y de Einstein no sean correctas y que a grandes distancias se comportan de otra manera?

En relación a la última pregunta hay que hacer notar, que en este caso los modelos para la estructura de las estrellas y de todo el universo deben cuestionarse. Sin embargo existe un campo de investigación q ue investiga esta pregunta (llamada MOND MOdified Newtonian Dynamics).
Veamos primero. Que posibilidades nos puede ofrecer, la materia bariónica normal en nuestra búsqueda (Bariones son partículas “pesadas” como protones y neutrones, de los cuales está constituida la materia, barys, griego = pesado):

Enanas marrones. Estrellas con <>enanas M, de la clase espectral M. Tienen una masa sólo un poco mayor que las enanas marrones, pero si son “auténticas” estrellas, brillan igualmente mayoritariamente en el campo de la luz infrarroja. Su cantidad no alcanza para la explicación de la materia oscura

Hoyos Negros
. Estos podrían ser invisibles (cuando no acreditan, materia) y reunir en si grandes masas. En contra de esto hablan gran cantidad de elementos químicos. Explosiones de supernovas, donde se pueden formar hoyos negros, enriquecen a las galaxias con elementos pesados. Cuya frecuencia medida indica que hubo demasiadas pocas explosiones y con esto la cantidad de hoyos negro es muy reducida para reunir en si la masa de la materia oscura.

Estrellas de neutrones, enanas blancas, enanas negras. Estas formas estelares también contienen relativamente mucha masa en pequeños volúmenes. Pero en contra de esta habla, que las estrellas de neutrones y las enanas blancas (de las cuales se forman las enanas negras) tienen fases de enfriamiento demasiado largas, de manera que una gran loarte de ellas aún estarían visibles. De la primera generación de estrellas, objetos surgidos de ellas, ya se podrían haber enfriado lo suficiente, de manera que a grandes distancias ya no podrían ser captadas.

MACHO's (Massive Compact Halo Objects). A estos pertenecen las ya mencionadas enanas marrones y hoyos negros, pero también planetas, cometas y asteroides. Estos últimos deben existir en una cantidad inimaginable, para aparecer como un múltiplo de la materia luminosa. Pero aquí queda abierta la pregunta ¿Cómo de pudieron formar esto9s cuerpos en los halos de las galaxias? ¡En el halo de la Vía Láctea deben encontrarse un billón de masas solares!

Neutrinos. A estos se les considera parte de la tal llamada materia caliente oscura (HDM, Hot Dark Matter), cuyas partículas se mueven casi a la velocidad de la luz durante la formación de las galaxias. Los neutrinos son partículas con una débil interacción, porque su masa es extremadamente reducida, no se les considera dentro de los WIMP's (ver abajo). En oposición a la HDM la materia oscura fría (CDM, Cold Dark Matter). Sus partículas, durante la formación de las galaxias, se movieron en forma relativamente lenta. Hoy tienen una temperatura de 0 [K], de manera que de ella no sale ningún tipo de radiaciones.


En la búsqueda de esta DM aparecen otras posibilidades más, que debemos considerar:

WIMP's (Weakly Interacting Massive Particles partículas masivas de interacción débil). Partículas hipotéticas (previsto por la tal llamada supersimetría) que aún no ha sido comprobada. A cada partícula del “zoológico de partículas” de los físicos existirían partículas emparejadas, como por ejemplo, Neutrino - Neutralino , Quark – Squark o Fotón – Fotino. Estas partículas son mucho más pesadas que aquellas, para nosotrs, familiares, las más livianas de estas podrían ser la DM

¿Cuerdas cósmicas? Su existencia, sin embargo, es muy dudosa.

Partículas no bariónicas. Estas igualmente son partículas teóricas, lasa cuales aún no ha sido comprobadas. Como la más interesante apare4ce aquí la Axión, un candidato principal para la WINP's. Esta partícula podría formarse en la estrellas durante su fusión, apareciendo de fuertes campos magnéticos de fotones. Entre tanto en e4l CERN están ocupados de confirmar su existencia. Un axión ha de ser muy liviano y tener una millonésima parte de la masa de un electrón. Al igual que la radiación de fondo, estas partículas podrían completar todo el universo y aparecer como materia oscura, y amontonados en conglomerados.

______________________________

Objetos masivos como parte de la materia oscura ya fue comprobada por la tal llamada microlensing, Si por ejemplo, u objeto masivo pasa por medio de la línea de visión de un observador y una estrella, entonces la luminosidad del objeto aumenta levemente pero medible. Sin embargo, aún no sabemos que son en realidad estoas MACHO's. De investigaciones se concluye en una masa de 15 hasta 90% de la masa solar, esto sería demasiado poco para un hoyo negro estelar. Un hoyo negro primordial (de épocas prístinas), que podría tener una reducida masa, según la radiación de Hawking debería ser muy caliente y con esto, ser visible. Con esto queda la sospecha que se podría tratar de enanas marrones o negras o de grandes planetas gaseosos.

Otra reflexión nos lleva a los orígenes del universo:

El universo joven estaba extraordinariamente caliente y denso, junto a neutrones y protones (= bariones) y electrones (= leptones) como plasma dominaban la escena fotones gamma altamente energéticos. Las partículas de materia interactuaban intensamente con la luz, y a ser en la manera, que por ejemplo, un electrón colisiona con un fotón absorbiéndolo. Con esto gana brevemente energía cinética, pero luego debe emitir nuevamente al fotón. Este fotón ahora es algo más pobre en energía, ya que el electrón consumió algo de esa energía para su movimiento.

Colisiones como estas se producían en secuencias muy rápidas, ya que el universo aún era muy pequeño y con esto la densidad de las partículas extremadamente alta. A penas era emitido un fotón ya se producía la siguiente colisión y con esto la absorción. Esta radiación no podía traspasar el espacio, el espacio estaba totalmente opaco y a este es0acio de tiempo se le llama era de la radiación. La luz de la radiación gamma estaba totalmente acoplada a la materia y los fotones empujaban a las partículas de materia de u lado a otro. En esta época en el cosmos deben haberse originado fluctuaciones de densidades – zonas espaciales en donde la densidad de la materia era algo más alta o más baja. ¡De estas densificaciones se formarían más tarde las galaxias y los cúmulos de galaxias!

¿Pero, como en un universo tan dominado por radiaciones podían formarse fluctuaciones y crecer? Los constantes fuertes empellones de los fotones seguramente hubieran impedido esto y no le habrían dado ninguna chance a la gravitación, para que se formen aglomerados. Pero si a la sazón ya existían partículas que no interactuaban con las radiaciones o las partículas de materia, entonces del todo pueden haberse formado fluctuaciones e incrementarse. Por la acción gravitacional se puso grumoso el universo, tal como lo vemos hoy y lo podemos leerlo de la radiación de fondo.

Debido a la constante pérdida de energía de los fotones, causada por las colisiones con las partículas el largo de las ondas electromagnéticas se hicieron cada vez mas largas – ¡el cosmos se enfrió! Después de 379 000 años la temperatura había bajado a unos 3000 [K] y ahora los electrones pudieron ocupar órbitas alrededor de los protones, se formaron átomos de Hidrógeno. Los fotones cuyos largos de onda estaban mayoritariamente en el ámbito de la luz visible, ya no estaban acoplados a la materia y ahora se podían mover libremente por el espacio, el universo se hizo “transparente”. Ahora la gravitación tomo la batuta: En las zonas de alta densidad, se acumulaba cada vez más materia y formaban la base para los cúmulos de galaxias, mientras por la acción común de la gravitación, zonas menos densas, fueron “barridas” cada vez más de materia normal y oscura.

Si no hubiese existido materia oscura, que se pudo formar durante la era de la radiación, entonces nuestro cosmos se compondría solamente de gas de poca densidad. Ya que la materia “normal”, durante esa época estaría disperso en forma totalmente pareja por la radiación. Sal final de este periodo ya no habría existido la posibilidad para mayores densificaciones, ya que las partículas estaban demasiadas alejadas entre si. ¡La gravedad no habría tenido ninguna chance.

Con esto también tenemos una explicación plausible, por que la materia oscura siempre está allí donde también se encuentra la materia luminosa. Estructuras filamentosas de gigantescas proporciones se extienden por el universo, en las cuales los cúmulos de galaxias de acopian como gotas de rocío en una tela de araña.

Con la gentil autorización de NASA, ESA ESA, M. J. Jee/ H. Ford (Johns Hopkins University)


Mediante el telescopio espacial Hubble, un equipo de astrónomos, ha descubierto en el cúmulo galáctico de nombre Cl 0024+17, un extraño anillo, que seguramente fue causado por una colisión gigantesca de dos cúmulos galácticos, de hace ya mucho tiempo atrás. Con el descubrimiento de este anillo tenemos a la vista seguramente el mejor indicio de la existencia real de la materia oscura. Los astrónomos ya hace tiempo sospechan de ellos de ser la causa de la gravitación, que sale adicionalmente de la materia luminosa. Sin esta acción gravitatoria, esto cúmulos de galaxias ya hace tiempo que se hubieran disuelto. Los investigadores descubrieron este anillo en forma totalmente inesperada, cuando buscaban la distribución de la materia oscura en este cúmulo, que se encuentra a 5 mil millones de años l8z. El anillo tiene un diuámetro de 2,6 millones de años luz y seguramente se formó por la colisión con otro cúmulo hace unos 1 – 2 mil millones de años. Es la primera vez, que materia oscura produce una estructura como esta, que se diferencia notoriamente del gas caliente y de las galaxias del cúmulo. Por suerte el anillo se encuentra justo en la línea visual hacia la Tierra, si no posiblemente no habría sido posible reconocerlo. Como lo muestran simulaciones computacionales, la materia oscura durante una colisión de dos cúmulos, cae dentro del centro, para eyectarlos luego al exterior. Con esto se producen ondulaciones, como cuando se lanza una piedra al agua. Al igual es distorsionada la imagen de una piedra en el fondo del agua, por las ondas, del mismo modo las imágenes de las galaxias, que se encuentran detrás del anillo, son deformadas.

______________________________

Seguramente, estaremos ocupados durante mucho tiempo más con la solución de este enigma cósmico. Es una situación bastante insatisfactoria saber que “allá afuera” hay algo que tiene una participación mucho más grande en la estructuración del universo, que la materia luminosa. La materia oscura además podría tener una influencia decisiva sobre el futuro del cosmos, ya que acuñó al factor omega de forma significativa. De su tamaño depende si el universo se va a expandir por siempre o si algún día va a desmoronar sobre si mismo.
































Zentrum des Fornax-Cluster = centro del cúmulo Formax
Dunkle Materie = Materia oscura
Galaxiengruppe = Grupo de galaxias
Con la gentil autorización de Chandra/CXC/M.Weiss


Investigaciones del telescopio de rayos X Chandra en el cúmulo Formax (horno) , han revelad que aquí se producen movimientos a gran escala. Un grupo de galaxias, que se encuentra más al exterior, se mueve en dirección al centro del cúmulo y colisionará con éste en un par de miles de millones de años. Al rededor del centro vemos una delgada nube de gas caliente de unos 10 millones [K], que sólo puede ser mantenida por la presencia de de grandes masas. Pero no vemos a estas masas, nuevamente un indicio de la presencia de materia oscura. Las galaxias y el gas parecen estar ordenados a lo largo de una aglomeración filamentosa de materia oscura (representada aquí como un espectro). Estas estructuras probablemente colapsan y tienden hacia el centro. De la nube de gas sólo vemos una reducida parte, tiene una cola extendida como un cometa que se extiende muy adentro del espacio.

______________________________

La pregunta del millón: ¡Quienes son los 7 samurai? ¿Y que tienen que ver con la materia oscura?

Aquí no se trata de juegos de computación o de algunos héroes japoneses, si no de experimentados astrónomos y astrofísicos. En los años 80, del último siglo, se juntaron un grupo de jóvenes científicos, para con una amplia investigación estudiar el comportamiento y el desarrollo de galaxias elípticas. Como jefa del grupo fue nombrada Sandra M. Faber, hoy es profesora universitaria y trabaja en el observatorio Lick. Alan Dressler midió, durante el proyecto a miles de galaxias. Otros colaboradores fueron Dave Burstein, Roger Davies, Roberto Terlevich, Donald Lynden-Bell y Gary Wegner.













En los años que duró la investigación hube que superar muchas dificultades, por ejemplo, la determinación exacta del movimiento propio de las galaxias. Junta a la fuga general según Hubble por la expansión del universo, que son relativamente fáciles de leer a partir del corrimiento al rojo del espectro, las galaxias además tiene su movimiento propio (“Movimientos peculiares”) dentro del cúmulo de galaxias a las cuales están atadas por la gravitación.
Finalmente se refirió a las microondas- radiación de fondo como punto de referencia común y se llegó a sorprendentes resultado. Así nuestra galaxia avanza a una velocidad de 600 [Km/s] por el espacio, esto equivale a 160 000 [Km/h]. Frente a otras galaxias esto es relativamente lento, pero mucho más importante es la constatación, que todas las galaxias investigadas, que se encuentran en una zona espacial de uno 200 millones de años luz, se precipitan a una muy alta velocidad hacia un centro gravitacional en la región Centauro. Allí debe existir a una enorme distancia una inimaginable gran concentración de masa – Dressler la llamó casualmente en una conferencia, el Gran Atractor: Es imaginable que allí se encuentra un acopio de grandes supercúmulos, que correspondientemente son anfitriones de una inconcebible gran cantidad de materia oscura. Sólo así es explicable esta acción gravitatoria que acelera en una dirección a miles de galaxias.

Apropósito, este gruido fue llamado por sus colegas en forma despectiva como los 7 samuráis, ya que remecieron los conceptos válidos sobre la estructura del universo valederos hasta ahora. A pesar de muchas críticas de todos los lados – los siete samuráis tuvieron mucho cuidado y los resultados de sus investigaciones resistieron a todas las comprobaciones.

Última revisión: 16 de marzo de 2008
Traducido del alemán por aagb: Noviembre de 2009Con la gentil autorización de Werner Kasper, Mittelweg 1, D- 35117 Münchhausen, Abenteuer

No hay comentarios.: