Respuestas XXII: Materia oscura.

Volviendo a la dinámica de los lunes que se convierten en martes, respondo a una pregunta formualda por Esteban Molina que me ha gustado mucho: ¿Qué es la materia oscura?

Al hablar de materia oscura, nos referimos a algo que no interacciona con la materia ordinaria o no emite o absorbe ningún tipo de energía electromagnética (luz, infrarrojos, rayos X…), pero que sabemos que está ahí porque el comportamiento de muchas galaxias no parece cuadrar con la cantidad de masa que tienen: la fuerza de gravedad que las mantiene estables es de 5 a 10 veces mayor de la que debería. Es decir, que nos estamos pasando por alto algo bastante gordo.

En esta imagen, los halos brillantes se han añadido para señalar dónde está concentrada la materia oscura, basándose en la distorsión de la luz de las galaxias de fondo a causa de la gravedad. Fuente: hubblesite.

Bueno, ¿Y si lo único que falla realmente son las ecuaciones que estamos usando para modelar la gravedad? 

Es la primera vez que dices algo con sentido, voz cursiva, pero los astrónomos están bastante seguros de que no es el caso.

Pero…

¡Sht! Ahora te explico por qué.

El hidrógeno compone un 74% de la masa de todo el universo y el helio un 24%. A su vez, el hidrógeno y el helio están compuestos por bariones, un nombre bonito que se les da a partículas pesadas como los protones y los neutrones, que son los ladrillos de la materia visible.

El estado en el que se encuentra el universo (entre abierto y cerrado, hablaremos de ello en una futura entrada), requiere que éste tenga una masa concreta a la que llamaremos M. Basándose en el ratio de helio e hidrógeno existente puede calcularse que, para estar en el estado en el que lo vemos ahora, el universo tendría que contener 0.05M de materia bariónica.

Por tanto, un 5% de la masa del universo debería corresponder a cosas compuestas por átomos pero, por mucho que busquemos a nuestro alrededor, la masa de todos los objetos visibles se estima en 0.01M o, lo que es lo mismo… ¡El universo sólo contiene el 20% de toda la materia que debería!

Y eso no es lo peor: esto significa que tan sólo podemos observar el 1% de la masa de todo el universo, que es la fracción compuesta por materia común.

¿PERO DÓNDE DEMONIOS ESTÁ EL 99% DE LA MASA RESTANTE? 

Parte de ella son partículas no-bariónicas (ligeras) como los electrones o los neutrinos.

Con eso aumentamos el porcentaje de materia conocida, pero seguimos siendo incapaces de detectar un 84.5% de la masa del universo, así que los astrónomos la han llamado materia oscura mientras buscan entre los candidatos que tienen en mente. Los aspirantes al puesto son:

  • Cosas que no podemos observar porque no emiten suficiente radiación y/o están muy lejos como para ser detectadas. Esto serían planetas, enanas marrones o galaxias compuestas de gas y polvo, pero con pocas estrellas. Las siglas para estas cosas son MACHOs (MAssive Compact Halo Objects).

Galaxia oscura descubierta a 9.800 millones de años luz de la Tierra. El halo que la rodea es, en realidad, la luz distorsionada de una galaxia aún más lejana. Crédito: David Lagattuta.

  • WIMPs (Weak Interacting Massive Particles), partículas que pululan por el espacio en números inmensos y que existen sobre el papel, aunque que no se han detectado porque difícilmente interaccionan con la materia ordinaria.

En definitiva, aunque el nombre de materia oscura suene a un material extraño muy concreto, sólo es una manera guay de decir “materia probablemente conocida pero que no vemos, partículas muy numerosas casi indetectables o una mezcla de las dos, no estamos seguros“.

¿Y cómo podemos saber cual de todas las opciones es la correcta? 

La única solución es conseguir observar directamente alguna de ellas para corroborar su existencia.

Respecto a planetas y estrellas tan débiles como las enanas marrones que se encuentren en una galaxia diferente a la nuestra, poca cosa se puede hacer, porque la poca radiación que emiten nos resulta indetectable. Se ha propuesto que los halos encontrados alrededor de las galaxias podrían ser gigantescos cúmulos de estrellas enanas marrones o RAMBOs (Robust Associations of Massive Baryonic Objects).

Una estrella enana marrón no es mucho más grande que Júpiter y la temperatura de su superficie ronda entre 800 y 2.000ºC, comparados con los casi 6.000ºC de nuestro sol.

En cuanto a la materia exótica, esa es una causa perdida, porque ni siquiera sabríamos qué buscar.

Lo único que podemos hacer es intentar encontrar las partículas masivas que pueden formar parte de la materia oscura, ya que para eso sí que tenemos una solución: colocar unos detectores subterráneos muy sensibles y esperar a que alguna partícula errante choque contra un átomo del aparato, de manera que la colisión haga vibrar el átomo lo suficiente como para que la vibración pueda ser detectada por los instrumentos.

Una de las células detectoras del CMDS, el proyecto que usa este principio para encontrar WIMPs.

Hay varios proyectos que utilizan sistemas diferentes, basados todos en el mismo principio de coloquemos un montón de átomos y esperemos que alguna partícula choque con ellos.

Uno de ellos, el DRIFT, es una simple cámara llena de gas. Cuando una partícula choca con un átomo, éste se desplazará a través del gas, dejando una estela detectable.

Luego está el PICASSO, una detector que contiene diminutas gotas de un gel supercalentado. Cuando una de estas gotas recibe el impacto de una partícula ligera, la energía transferida pasa la gota de estado líquido a gaseoso, con lo que puede detectarse el cambio.

Como no tengo mucho más que decir, me gustaría hacer una observación final:

Las siglas en inglés son una pasada.

15 pensamientos en “Respuestas XXII: Materia oscura.”

  1. El razonamiento usado para demostrar que tiene que existir esa masa extra habria que puntualizarlo, lo explicado pueden ser indicios de la existencia de materia/energia oscura pero de ahi a considerarlo una demostracion hay un largo trecho.

    A partir de la curvatura del universo se puede calcular cuanta masa/energia tendria que existir para generar esa misma curvatura, pero habria que aclarar que esto solo es valido, si la forma en la que se cree que funciona la gravedad a largas escalas y/o a pequeñas aceleraciones es correcta.

    Y como sabemos si la gravedad funciona igual a esas escalas ? no se puede comprobar porque si nos basamos en observaciones, estas observaciones directamente contradicen la hipotesis, a no ser claro que primero supongamos que la materia y energia oscura existen, con lo que llegamos a un circulo vicioso.

    Y usar un circulo vicioso en el que la causa justifica el efecto y el efecto justifica la causa, es hacer trampas 😉

    1. Claro que hay matices, pero esto es una web de divulgación sencilla y la información que propones requiere explicar conceptos más abstractos y especializados (la extensión de la noticia y la atención del lector están relacionadas de manera inversamente proporcional).

      Pero tienes razón, a lo mejor me he precipitado diciendo que es una demostración.

    2. Probablemente Tengas Razón pero con tanta falta de ortografía se te va toda la credibilidad. Y ya aprovecho para dar mi enhorabuena y jurar fidelidad a esta “orgásmica” página web.

    1. Claro, faltaría más.

      Cuanta más masivo es algo que gira entorno a una galaxia, más rápido tendrá que viajar alrededor del centro para mantener su trayectoria estable y no empezar a desviarse hacia el centro.

      Es como colgar una piedra de una cuerda y empezar a darle vueltas. Si la piedra es ligera, no hará falta mucha velocidad para que ésta mantenga una trayectoria circular y no caiga al suelo, pero si la piedra es más grande, necesitarás hacerla girar mucho más rápido para conseguir el mismo efecto.

      El problema es que, cuando medimos la velocidad de las galaxias y comparamos los datos con la masa observada, vemos que deberían contener muchísima más materia para que rotaran a la velocidad que lo hacen. De ahí que se teorice sobre la existencia de materia invisible que hace que se cumpla el principio.

  2. Añado, no hace falta que entres en detalles, solo me gustaría saber para calcular la masa total de una galaxia, que cuenta a parte de la suma de la masa de todas sus estrellas. Aunque mis conocimientos son muy pero que muy limitados, soy de la idea de que algo están pasando por alto, a parte de que no me gusta la idea de despejar una incógnita con otra incógnita.

    Una cosa que me he dado cuenta y me gustaría que me aclares, por que en ningún sitio veo que lo mencionan, ni tu aquí tampoco, es la dilatación temporal que ejerce la galaxia debido a su masa, que algo tendrá que afectar sobre la velocidad a que vemos que giran las galaxias, ¿o nosotros al estar dentro de una galaxia debería anular el efecto? o ¿aumentarse? Si me lo pudieras aclarar.

    1. Perdona por tardar en responder.

      Hay mucha estimación detrás del cálculo de las masas de las galaxias y, a parte de la masa de sus estrellas, se tiene en cuenta la del agujero negro central y del gas que contienen. Pero, claro, no se pueden incluir en el cálculo cosas que no vemos (como planetas y estrellas débiles).

      A mí tampoco me convencía la idea de la materia oscura antes de escribir este artículo, pero el pensar que parte de ella es materia ordinaria que simplemente no somos capaces de detectar, tiene sentido.

      La gravedad en sí no ejerce afecta de manera sensible al transcurso del tiempo a menos que estés muy cerca de un agujero negro supermasivo, por lo que tengo entendido. El factor clave en la dilatación temporal es la velocidad, pero a menos que te muevas a velocidades que puedan considerarse una fracción a tener en cuenta de la velocidad de la luz, el efecto es despreciable.

      Supongo que si rotáramos alrededor de la galaxia a un 10% de la velocidad de la luz notaríamos el efecto (que tampoco estoy seguro de que fuera simplemente “ver rotar las cosas a una velocidad diferente”).

      En cuanto al otro comentario, sí, giran más rápido de lo que deberían. Y, en cuanto las variables, al ser un sistema gobernado por la fuerza de gravedad, no creo que haya mucho más a parte de la masa actuando ahí.

    2. Vale, es que pensaba que al haber un agujero negro supermasivo tendría que afectar a como vemos girar las galaxias, aunque no estén cerca del horizonte de sucesos.
      Como dije, pienso que habrá una explicación fácil para encontrar la materia que falta, he llegado a leer incluso de que la materia oscura son partículas que no interactúan con la luz ni con la materia, también que es materia ordinaria pero que está en un universo paralelo, pero en teoría, sentimos sus efectos gravitatorios porque los gravitones pueden moverse entre estos universos, que son partículas virtuales o que son las cuerdas.
      Por cierto, ya que hablas de la materia oscura, cuando puedas, deberías hacer otro artículo sobre la energía oscura.

  3. Podría plantear una idea sobre en donde puede estar contenida toda esa materia oscura, claro, desde mi poco conocimiento sobre el tema, pero que no por ello me deja de interesar. Un agujero negro es un objeto que tiene una gravedad extraordinariamente fuerte, siendo capaz de absorber estrellas cercanas y demás objetos, lo que implica que si absorbe toda esa materia, a algún lado debe ir; conozco sobre la idea de que esa materia aparece en algún punto del universo, pero esto aún no se ha comprobado. Mi opinión es que toda esa materia puede quedarse dentro del agujero negro, convirtiéndose en materia oscura, puesto que de un agujero negro ni la luz escapa de él y la radiación de esa materia dentro se camufla con la radiación del agujero negro, dando la conclusión de que allí podría estar contenida toda esa materia o masa.

    De ante mano espero tolerancia con mi opinión si en algo tengo error, como dije tengo poco conocimiento pero si mucho interés por esto.
    ¡Excelente página!

    1. Pienso de manera parecida, también desde mis escasos conocimientos en esta materia. En concreto, planteo la siguiente cuestión: ¿podría la inconmensurable gravedad existente en un agujero negro masivo, como los del centro de las galaxias parecidas a nuestra Vía Láctea, explicar que todas las estrellas giren a la misma velocidad, por lo que parece. Lo digo porque recientemente he leído que se han observado galaxias muy lejanas (primitivas/jóvenes) en las que las estrellas exteriores giran a menor velocidad que las interiores. ¿No podría ser que en el proceso de crecimiento del agujero negro central llegara un momento en que el valor de la fuerza gravitatoria fuera tan enorme que se hiciera despreciable el factor distancia de la estrella al centro de la galaxia?

  4. Los grandes problemas de la ciencia se han solucionado descomponiendo los problemas complejos, con una simple formula de suma y resta como en los tiempos de Arquimides, galileo, Newton, etc.
    ACOSEP a descubierto la formula fundamental de las ecuaciones de la Materia Oscura de la “Helíofísica”, hace tres años, para poder exponerlo ha tenido que acuñar el termino “Helíofísica Cuántica” para que nuestra comunidad pueda entender de una manera simple.

Deja un comentario