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El conjunto de problemas que se agrupan bajo el nombre de materia oscura.

Primera entrega de una serie donde intentaremos “dar un poco de luz” a la misteriosa materia oscura.

Artículo original de Richard Taillet, profesor de Física e investigador.


La materia oscura es un concepto muy importante en la cosmología y astrofísica modernas. Este dossier va a presentar el conjunto de los problemas que se reagrupa bajo el nombre de materia oscura; En primer lugar, en un cierto número de objetos astrofísicos, los movimientos observados son diferentes de los que se espera teóricamente, cuando se trata de deducirlos de la acción gravitacional de las masas que observa, todo pasa como si una densidad de masa invisible estuviera presente.

Luego, el modelo estándar de formación de las grandes estructuras en el Universo, que se explica de una parte cómo se forman las galaxias y los cúmulos de galaxias, y por otra parte las propiedades del fondo de microondas cósmico, permiten dar cuenta de observaciones que condicionan que el Universo contiene una gran cantidad de masa bajo una forma diferente de la materia ordinaria.

La cosmología en general ofrece información crucial sobre el contenido del Universo, sea por el estudio de su geometría o por la de su historia. Los resultados indican claramente que el Universo contiene más materia que la que se ve.

Varias cuestiones se plantean entonces: "¿Esta materia oscura existe realmente? ¿Si es que sí, qué es? ¿Si es que no, de donde vienen los problemas que acabamos de mencionar?".

Sería una satisfacción resolver estos tres problemas al mismo tiempo, y la utilización del vocablo común materia oscura tiene por lo menos el mérito psicológico de mantener esta esperanza, pero hay que reconocer que este final todavía no aparece en el horizonte. Esto no es por otra parte una fracaso, porque la existencia de los problemas de la materia oscura motivaron un gran número de búsquedas que acabaron en descubrimientos importantes en astrofísica y cosmología.





Vamos en este expediente a empezar por presentar los diferentes indicios que llevan a la hipótesis de la materia oscura. Luego presentaremos varias propuestas que han sido hechas para intentar responder a la cuestión "¿De qué esta hecha la materia oscura?". También discutiremos algunos de los numerosos experimentos que podrían aportar elementos de respuesta a esta cuestión.

Una pequeña historia: Urano y Neptuno, Mercurio y Vulcano.

-Una pequeña historia de planetas.

Vamos a empezar con una pequeña historia, o más bien un episodio de la Historia de las ciencias, que parece no tener gran relación con los problemas modernos de la materia oscura, ya que vamos a hablar de planetas. Sin embargo, la pequeña moraleja de esta historia podrá servir de guía para lo que viene a continuación.

- La órbita de los planetas.

Muy temprano en la historia de la astronomía, ha sido observado que ciertos astros ocupaban en el cielo posiciones que variaban con el tiempo. Algunos de estos objetos celestes han sido identificados como planetas (la raíz griega de la palabra "planeta" significa "vagabundo"). Su movimiento en el cielo puede ser muy complejo y sistemas sofisticados han sido ideados para dar cuenta de esta complejidad. De hecho, a pesar de las apariencias, los planetas describen en el espacio trayectorias simples: son elipses (primera ley de Kepler). La complejidad del movimiento en el cielo es principalmente debida al hecho de que observamos este movimiento desde la Tierra que también está en movimiento. La forma elíptica de las trayectorias está bien explicada por la hipótesis que los planetas están unidos al Sol por una fuerza gravitacional, según la ley de la gravitación universal formulada por Newton. De hecho, la ley de Kepler es exacta para un planeta único orbitando alrededor de una estrella, pero no lo es completamente cuando varios planetas están presentes, cada uno perturba ligeramente el movimiento de los otros y las órbitas resultantes tienen formas un poco más complejas. Conociendo la posición de todos los planetas en un momento dado, podemos calcular estas perturbaciones con la ley de Newton, y comparar la trayectoria calculada con el movimiento observado. Dentro del límite de los errores experimentales, el acuerdo es muy bueno la mayoría de los planetas. Esto indica que efectivamente, la ley de la gravitación formulada por Newton contempla correctamente la fuerza que vincula los planetas al Sol.

- Los vagabundeos de Urano y el descubrimiento de Neptuno.

Cuando se procuró hacer esta comparación cada vez más precisa, varios problemas aparecieron. En primer lugar, se apercibieron al principio del siglo 19 que el movimiento calculado para Urano (entonces el último planeta conocido del sistema solar), no correspondía al que fue observado. En 1845, los dos astrónomos Adams y Le Verrier tienen, por separado, la misma idea para resolver este problema. Lanzan la hipótesis que la perturbación es debida a un nuevo planeta situado más allá de Urano. Van más lejos y calculan la posición que debería ocupar este planeta para justificar las anomalías de la trayectoria de Urano. Un telescopio es apuntado hacia la posición predicha y en 1846, el nuevo planeta es observado: ¡es Neptuno!.

Urano a la izquierda, y su elemento perturbador, Neptuno con su satélite Tritón, a la derecha.© NASA (pulsar sobre las imágenes para ampliarlas)

- Los vagabundeos de Mercurio y la Relatividad General.

Diez años más tarde se repite la historia. En 1855, Le Verrier observa otra anomalía en el movimiento de Mercurio: su perihelio (el punto de su órbita más próximo del Sol) gira alrededor del Sol un poco demasiado rápido con relación a los cálculos. Hablamos primero del perihelio de Mercurio. Debido al éxito precedente, supone que esta anomalía también es debida a un nuevo planeta. Calcula de nuevo la posición que debería tener para dar cuenta de la anomalía de mercurio, y encuentra que su órbita debería encontrarse dentro de la de mercurio, muy cerca del Sol. Este planeta hipotético ya tiene un nombre: Vulcano. Esta vez sin embargo, a pesar de todos los esfuerzos astronómicos para observarlo en la posición predicha, nadie logró verlo. Hay que decir que es una situación experimental difícil: se trata de observar un planeta situado muy cerca del Sol. Varias explicaciones fueron propuestas, la presencia de gas, de asteroides, pero habría que esperar hasta 1915 para que la solución, radical, fuera encontrada: No hay ningún nuevo planeta, y como demuestra Einstein aquel año, la anomalía viene por el hecho que se utilizó la mecánica newtoniana para calcular el movimiento de Mercurio, mientras que la gravitación debe acudir a otra teoría, la relatividad general. La diferencia es muy débil para los planetas más alejados del Sol que Mercurio, porque el campo gravitacional allí es menos fuerte, pero es suficiente en el caso de Mercurio para conducir a la anomalía observada. Los cálculos de relatividad general conducen a un valor válido para el adelanto del perihelio de Mercurio. Este fenómeno de adelanto del perihelio ha sido puesto en evidencia para otros planetas, Marte, la Tierra, y Venus.

Izquierda: Tránsito de Mercurio delante del Sol. Derecha: Mercurio© NASA (pulsar sobre las imágenes para ampliarlas)

Otros capítulos ya publicados de la serie

- Los secretos de la materia oscura. Parte 2

- Los secretos de la materia oscura. Parte 3, la Cosmología.

- Los secretos de la materia oscura. Parte 4, las galaxias.

- Los secretos de la materia oscura. Parte 5, las propiedades de la materia oscura.

- Los secretos de la materia oscura. Parte 6, los avatares de la materia oscura; Los candidatos.

- Los secretos de la materia oscura. Parte 7, la búsqueda de una prueba experimental: Testear los modelos "estándares".

- Los secretos de la materia oscura. Parte 8, la búsqueda de una prueba experimental: Detectar la materia oscura.

- Los secretos de la materia oscura. Parte 9 y última. Conclusiones.



Crédito de las imágenes: Sloan Digital Sky Survey Team, NASA, NSF, DOE.



Un Universo por descubrir