Contenido: Introducción. Consideraciones teóricas de la materia oscura. Composición de la materia oscura. Materia oscura y energía oscura. Dilema de la materia oscura.
Objetivo: Al finalizar la competencia describirá los fundamentos teóricos de la materia oscura sin error.
Introducción
Materia oscura, material no luminoso que no se puede detectar directamente observando la radiación electromagnética en cualquier rango, sino que su existencia, distribuida por todo el Universo, es sugerida por ciertas consideraciones teóricas.
Determinar si la materia oscura existe es uno de los problemas más apasionantes de la astrofísica moderna.
Hay tres consideraciones teóricas principales que sugieren la existencia de la materia oscura.
Se supone que la materia oscura puede estar formada por neutrinos con masa, enanas marrones (objetos semejantes a las estrellas, más pequeños y más débiles que el Sol y que no están impulsados por reacciones nucleares), agujeros negros y partículas subatómicas exóticas, cuyas propiedades impiden su detección observando la radiación electromagnética.
Consideraciones teóricas de la materia oscura
Hay tres consideraciones teóricas principales que sugieren la existencia de la materia oscura. La primera se basa en la velocidad de rotación de las galaxias. Las galaxias cercanas a la Vía Láctea parecen girar más rápido de lo que cabría esperar por la cantidad de materia visible que parece haber en ellas.
Muchos astrónomos creen que hay suficientes pruebas para pensar que más del 90% de la materia de una galaxia típica es invisible.
La segunda consideración teórica se basa en la existencia de cúmulos de galaxias. Muchas galaxias en el Universo se agrupan en estos cúmulos.
Algunos astrónomos argumentan que si se aceptan ciertas suposiciones razonables —específicamente, que las galaxias agrupadas se mueven juntas por la gravedad y que los cúmulos se formaron hace millones de años— se deduce que más del 90% de la materia de un determinado cúmulo es materia oscura; de otra forma, los cúmulos no tendrían materia suficiente para mantener juntas las galaxias y ya se habrían separado.
La tercera consideración teórica que sugiere que la materia oscura existe se basa en el modelo inflacionario del Big Bang. De los tres tipos de consideraciones que sugieren la existencia de la materia oscura, ésta es la más polémica.
Conforme a la idea de inflación cósmica, el Universo atravesó un periodo de expansión extremadamente rápido cuando era muy joven.
No obstante, si el modelo inflacionario del Big Bang es correcto, entonces la constante cosmológica que describe la expansión del Universo se aproxima a 1. Para que esto ocurra, la masa total del Universo debe ser de más de 100 veces la cantidad de masa visible que parece existir.
Composición de la materia oscura
Aunque la materia oscura fue detectada por lentes gravitacionales en agosto de 2006,14 muchos aspectos de la materia oscura continúan siendo cuestionados.
Los datos de varios tipos de pruebas, como el problema de la rotación de las galaxias, las lentes gravitacionales, la formación de estructuras y la fracción de bariones en cúmulos y la abundancia de cúmulos, combinada con pruebas independientes para la densidad bariónica, indican que el 85-90% de la masa en el Universo no interactúa con la fuerza electromagnética.
Se han propuesto varias categorías de materia oscura:
– Materia oscura bariónica.
– Materia oscura no-bariónica15 que está dividida en tres tipos diferentes:
– Materia oscura caliente: partículas no bariónicas que se mueven ultrarrelativistamente.
– Materia oscura templada: partículas no bariónicas que se mueven relativistamente.
– Materia oscura fría: partículas no bariónicas que no se mueven relativistamente.
Materia oscura y energía oscura
Aunque existen diferentes propuestas para explicar que es la MO, como es la modificación a las leyes de la gravedad, la más aceptada es que se traten de partículas masivas que interactúan débilmente con nosotros. Estas partículas se pueden clasificar en calientes, tibias o frías, dependiendo de si su velocidad es cercana a la de la luz, intermedia o cercana a cero, respectivamente.
La MO fría es la más establecida, sin embargo no se puede descartar a la MO tibia mientras que la caliente está descartada actualmente. Las características de la MO fría son parecidas a la materia conocida, como los protones, aunque como ya hemos mencionado previamente la MO no puede ser ni protones ni neutrones. Hay un número grande de candidatos de MO.
El neutralino sólo interacciona a través de la fuerza débil y de la gravitacional y por lo tanto se le denomina partícula WIMP (del inglés, Weakly Interacting Massive Particle). Otro candidato popular es el axión. Esta partícula, postulada por R. La simetría C se refiere a que las leyes de la física se mantienen iguales si se intercambia una partícula por su antipartícula, y la simetría P se refiere a una simetría “espejo”, es decir al intercambiar derecha por izquierda.
La MO permea a toda nuestra galaxia incluyendo a nuestro sistema solar. Hoy en día hay experimentos para ver si en las diferentes épocas del año, cuando la Tierra se mueve con velocidad a favor o en contra de este “mar” de materia oscura, se puede detectar un cambio en las mediciones debido a la interacción con las partículas de la MO.
La atracción gravitacional de la luz ya había sido medida acorde con la teoría de la RG de Einstein en 1919. Esta deformación nos permite determinar la cantidad y distribución de la MO y actualmente hay proyectos importantes para hacer un mapa de la MO en el universo utilizando esta técnica.
Por otro lado, las partículas que podrían dar origen a la EO, tienen propiedades totalmente diferentes a todas las partículas conocidas. El hecho que la EO, o las partículas de la EO, generen una intensa fuerza antigravitacional restringe mucho a los posibles candidatos.
Un tipo de partículas es la quintaesencia, que son partículas con espín cero (los protones y electrones tienen espín ½) y tiene sólo interacción gravitacional con el resto de las partículas. Hay una variedad de modelos que dan lugar a la EO y una característica esencial es que estas partículas tengan una fuerte autointeracción, es decir que interactúen consigo mismas.
Esta propiedad está determinada por su autopotencial y bajo ciertas condiciones genera una fuerza repulsiva mayor a la fuerza de gravedad. Esta fuerza repulsiva o antigravitacional es el “motor interno” del universo que da lugar a la expansión acelerada del universo.
Esta sería la famosa constante cosmológica de Einstein y aunque en principio es un buen candidato desde un punto de vista observacional, ya que se ajusta bien a los datos, desde un punto de vista teórico surgen muchas interrogantes sobre su origen que deben de ser respondidas.
También existen modelos exóticos, como por ejemplo los “fantasmas”. Estas partículas fantasma han sido estudiadas porque las incertidumbres en los datos observacionales permiten su existencia aunque teóricamente no hay modelos matemáticamente consistentes que las sustenten.
Estos “fantasmas” serían partículas cuya energía total crece conforme crece el volumen y esto provocaría situaciones inesperadas. Por ejemplo, en un universo con fantasmas, el futuro cercano sería La Gran Muerte (The Big Rip, en inglés). Todos los objetos se irían dejando de ver, como si fueran fantasmas, y conforme pasara el tiempo se alejarían tan rápidamente que cada vez desaparecerían de nuestra vista objetos más cercanos.
Dilema de la materia oscura
Estimaciones basadas en los efectos gravitacionales de la cantidad de materia presente en el Universo sugieren, consistentemente, que hay mucha más materia de la que es posible observar directamente. Además, la existencia de materia oscura resolvería varias inconsistencias en la teoría del Big Bang. Determinar cuál es la naturaleza de la materia oscura es el llamado «problema de la materia oscura» o «problema de la masa desaparecida» y es uno de los más importantes de la cosmología moderna.
La cuestión de la existencia de la materia oscura puede parecer irrelevante para nuestra existencia en la Tierra pero el hecho de que exista o no afecta al destino último del Universo. Si no hubiera materia oscura, esta expansión continuaría para siempre.
Si la actual hipótesis de la materia oscura es correcta, y dependiendo de la cantidad de materia oscura que haya, la expansión del Universo podría ralentizarse, detenerse o incluso invertirse (lo que produciría el fenómeno conocido como Big Crunch).
Sin embargo, la importancia de la materia oscura para el destino final del Universo se ha relativizado en los últimos años, en que la existencia de una constante cosmológica y de una energía oscura parece tener aún mayor importancia.
Fuentes: Enciclopedia encarta / Wikipedia.org / revista.unam.mx