Grandes Misterios de la Astronomía (Parte I)

Hace un tiempo – algo más de 100 años – muchos científicos creyeron que el aparentemente espacio vacío no estaba vacío después de todo, sino que estaba lleno de una sustancia llamada éter luminoso. Este misterioso material, nunca comprobado en un laboratorio de la Tierra, se ideó para explicar cómo podía afectar la gravedad de un cuerpo celestial a otro.

El cúmulo de galaxias EMSS 1358+6245 está a unos 4.000 millones de años luz de la Tierra en la constelación del Dragón. Cuando se fotografió con el Observatorio de Rayos-X Chandra, los científicos determinaron que la masa de materia oscura debía ser cuatro veces mayor que la materia normal. Pulsa aquí para agrandar.

A finales del siglo XIX, el éter luminoso había tomado el camino de otros incontables conceptos científicos erróneos. Hoy día, otra misteriosa sustancia atrae a los astrónomos, y esta parece no marcharse. De hecho, lleva décadas estando al frente de las teorías cosmológicas. Es la llamada materia oscura, y actualmente está ampliamente aceptada por los astrónomos como el relleno del que está hecho la mayoría del Universo.

“Hemos tenido conocimiento de su existencia durante más de 25 años”, dice la astrónomo Virginia Trimble de la Universidad de California Irvine. “Pero no sabemos qué demonios es”.

¿Cómo pueden estar los astrónomos tan seguros de algo que nunca han visto?. La respuesta viene de las observaciones del movimiento de estrellas y galaxias, estudios que se han llevado a cabo durante más de 50 años. En las galaxias espirales, las estrellas simples y nubes de gas orbitan más rápidamente de lo que deberían si solo estuviesen afectadas por la gravedad de la materia visible de la galaxia. Lo mismo se cumple para conjuntos de galaxias: los movimientos de galaxias individuales no pueden explicarse por la gravedad de lo que los astrónomos pueden ver.

Para explicar estas observaciones, los astrónomos han deducido que las galaxias están rodeadas por enormes aureolas de un tipo de materia diferente e invisible.

Esta materia oscura es invisible para nosotros debido a que no irradia energía. Pero tiene masa, y esto significa que puede aportar la gravedad extra necesaria para mantener a las galaxias y cúmulos de galaxias unidos. Incluso en el estrambótico mundo de la cosmología, esta es una extraña propuesta.

Pero, ¿es la material oscura la única explicación?.
Quizá los científicos no comprenden completamente la forma en que funciona la gravedad; quizá la famosa ley de la gravitación de Isaac Newton necesite alguna revisión. Pero esta idea, dice el profesor de la Universidad de Arizona Chris Impey, no es muy popular.

Esta es la primera imagen de un objeto de materia oscura cercano a una estrella enana roja. Hace seis años enfocó gravitacionalmente la luz de una estrella azul del fondo de otra galaxia en un efecto de microlente. Desde entonces la enana roja se ha desplazado ligeramente por el cielo y se ve claramente separada en la nueva imagen. Pulsa aquí para agrandar.

“Definitivamente la mayor parte de los astrónomos están extremadamente poco dispuestos a abandonar la ley de Newton”, dice. “Entonces básicamente tenemos una elección entre dos males: Se puede lanzar la hipótesis de que la ley de Newton es incorrecta, y que nuestro conocimiento de la teoría de la gravedad es incompleto, o la hipótesis de una partícula microscópica fundamental que nunca ha sido detectada en un laboratorio de física, cuyas propiedades son solo contrastadas por observaciones astronómicas. Lo cual es una posición bastante incómoda para cualquier físico”.
Aún así, como explica Trimble, la material oscura es el menor de los dos males, simplemente debido a que requiere menos cambios sobre la física aceptada.

Para explicar las observaciones revisando la teoría de la gravedad, los astrónomos tendrían que identificar diferentes efectos, cada uno de los cuales opera a diferentes escalas de distancia. Pero con la materia oscura tenemos la explicación, dice Trimble, “Sólo necesitas al Ratoncito Pérez”.

E incluso aunque los astrónomos no pueden observar la material oscura de forma directa, pueden observar sus efectos mirando los cúmulos de galaxias que actúan como lentes gravitacionales. La gravedad de estos cúmulos de galaxias curva la luz procedente de las galaxias más distantes, justo como lo haría una lente óptica. Analizando estos efectos usando modelos computacionales, los astrónomos han determinado la masa de estos cúmulos de galaxias y encontraron de nuevo, que la materia oscura debe ser abundante.

Una simulación por cumputadora muestra la distribución esperada de material oscura en el Universo. Los puntos coloreados indican galaxias, las cuales parecen poner de relieve los principales rastros de materia oscura. Pulsa aquí para agrandar.

De hecho, los astrónomos creen que existe mucha más material oscura en el Universo que la cantidad de materia normal en una proporción de quizás 10 a 1.

Si se pudiera ver la materia oscura, dicen los astrónomos, la mayoría de las galaxias, incluyendo nuestra propia Vía Láctea, parecería 10 veces mayor de como aparece en los telescopios. Todos los habitantes habituales del cosmos – estrellas, galaxias, planetas y nubes de gas y polvo – son solo una pequeña fracción de lo que hay allá afuera.

Y sin embargo, para ser algo tan ubicuo, la materia oscura ha resultado ser increíblemente esquivo. Aquí en la Tierra, la materia oscura podría estar pasando entre nosotros – o quizás a través de nosotros – pero no la observamos. Esto se debe, en parte, a que la materia oscura extrañamente, si es que alguna vez lo hace, interactúa con la materia normal. Está mucho más dispersa que la material normal. “Comparado con cualquier otra cosa de la que tengamos conocimiento en la Tierra”, dice Trimble, la materia oscura es “increíblemente difusa”.

Hasta ahora, todos los esfuerzos de los científicos para detectar materia oscura han sido desbaratados. Por ahora, solo pueden teorizar acerca de a qué podría parecerse, parece que lo más probable es que sea alguna clase (o tal vez algunas clases) de partículas subatómicas.

Los principales candidatos son WIMPs ( N. del T: Acrónimo de Weakly Interacting Massive Particles, Partículas Masivas de Interacción Débil), una de cientos de diferentes partículas subatómicas las cuales pueden haberse formado en los primeros instantes del Universo a temperaturas muy altas. Existen otros candidatos con nombres como fotinos, gravitinos, axiones, y monopolos magnéticos.

Y por supuesto el célebre neutrino, buscado durante mucho tiempo por los físicos, y la única particular candidata que ha sido detectada realmente – aunque probablemente solo sea una pequeña fracción del total de la materia oscura, dicen los expertos.

Por último, algo de materia oscura puede estar compuesta de objetos más familiares como estrellas enanas marrones, planetas errantes, y otras “cosas normales”. Pero de nuevo, los científicos creen que esto no es más que probablemente una mínima fracción.

¿Dónde deja esto a los astrónomos?.

“Como te diría cualquier científico sobre cualquier tema”, dice Trimble, “se necesita más trabajo”, por parte de ambos, teóricos y observadores. Para los astrónomos, dice, “esto significa mejorar el trabajo de monitorización, por ejemplo, rayos gamma o rayos cósmicos de energía muy alta”, que podrían ser provocados cuando las partículas de materia oscura colisionan con materia normal en la Vía Láctea. Los detectores para tales intentos están actualmente operando bajo tierra en muchas localizaciones del mundo, incluyendo Nuevo México y la capa de hielo de la Antártida.

Chris Impey cree que los esfuerzos de los científicos para detectar partículas de materia oscura podría ser decisiva incluso aunque no encontrasen ninguna.

“Creo que en un periodo de dos a cuatro años [los investigadores] habrán encontrado las partículas, o habrán obligado a la rama escogida de partículas a ser demasiado extraña como para formar toda la materia oscura. Por lo tanto la habremos excluido. Esto significa que los avances se sucederán en el frente de los detectores físicos, a pesar de lo que hagan los astrónomos”.

Aún así, dice Impey, los teóricos tendrán una gran cantidad de observaciones extrañas de galaxias que elevan dudas sobre la hipótesis de la materia oscura. “Cada simulación de la parte central de las galaxias masivas, como la Vía Láctea, predicen que la materia oscura formará una región central de alta concentración”. Sin embargo, dice Impey, “Esto no es lo que se observa. Por lo tanto este es el problema que nos surge y que no quiere marcharse”.

Aún con la incertidumbre, sin embargo, los astrónomos no parecen preocupados por estas cuestiones pendientes.
“El universo es algo que te hace sentir humilde”, dice Impey. “Cuando observo estoy listo para sorprenderme. No puedo imaginarme en todo caso que tenemos las respuestas, o que estamos cerca de hallarlas”.

Autor: Andrew Chaikin
Traductor: Manuel Hermán
Sitio Web: Space.com

Grandes Misterios de la Astronomía (Parte II)

Grandes Misterios de la Astronomía (Parte III)

Artículo Original: http://www.space.com/scienceastronomy/astronomy/cosmic_darkmatt_020108-1.html

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