Podría decirse que está viendo uno de los mejores mapas de materia oscura que tenemos. Los astrónomos tiñeron de azul las concentraciones de materia oscura en el cúmulo de galaxias gigantes Abell 1689. Descubrieron la ubicación de esas concentraciones mediante el uso de lentes gravitacionales. Imagen cortesía de NASA, ESA, y D. Coe (NASA JPL / Caltech y STScI) En el álbum de seguimiento de 1978 de "Born to Run, "Bruce Springsteen usa la oscuridad en las afueras de la ciudad como una metáfora de la desolación desconocida que todos enfrentamos a medida que crecemos y tratamos de comprender el mundo.
Los cosmólogos que trabajan para descifrar el origen y el destino del universo deben identificarse completamente con el sentido de anhelo trágico de The Boss. Estos científicos que observan las estrellas se han enfrentado a su propia oscuridad en las afueras de la ciudad (o en el borde de las galaxias) durante mucho tiempo mientras intentan explicar uno de los mayores misterios de la astronomía. Es conocido como materia oscura , que es en sí mismo un marcador de posición, como la xoy que se usa en la clase de álgebra, para algo desconocido y hasta ahora invisible. Un día, gozará de un nuevo nombre, pero hoy estamos atrapados con la etiqueta temporal y sus connotaciones de oscura incertidumbre.
El hecho de que los científicos no sepan cómo llamar la materia oscura no significa que no sepan nada al respecto. Ellos saben, por ejemplo, que la materia oscura se comporta de manera diferente a la materia "normal", como las galaxias, estrellas, planetas asteroides y todos los seres vivos y no vivos de la Tierra. Los astrónomos clasifican todas estas cosas como materia bariónica , y saben que su unidad más fundamental es el átomo, que a su vez se compone de partículas subatómicas aún más pequeñas, como los protones, neutrones y electrones.
A diferencia de la materia bariónica, la materia oscura no emite ni absorbe luz u otras formas de energía electromagnética. Los astrónomos saben que existe porque algo en el universo está ejerciendo importantes fuerzas gravitacionales sobre las cosas que podemos ver. Cuando miden los efectos de esta gravedad, los científicos estiman que la materia oscura representa el 23 por ciento del universo. La materia bariónica representa solo el 4,6 por ciento. Y otro misterio cósmico conocido como energía oscura constituye el resto:¡un enorme 72 por ciento [fuente:NASA / WMAP]!
Entonces, ¿qué es la materia oscura? ¿De dónde vino? ¿Donde esta ahora? ¿Cómo estudian los científicos las cosas cuando no pueden verlas? ¿Y qué esperan ganar resolviendo el rompecabezas? ¿Es la materia oscura el secreto para solidificar el modelo estándar de física de partículas? ¿O alterará fundamentalmente la forma en que vemos y entendemos el mundo que nos rodea? Tantas preguntas por responder. Empezaremos por el principio, a continuación.
Contenido
Los astrónomos han estado fascinados por las galaxias durante siglos. Primero fue la comprensión de que nuestro sistema solar estaba envuelto en los brazos de un enorme cuerpo de estrellas. Luego vino la evidencia de que existían otras galaxias más allá de la Vía Láctea. En la década de 1920, científicos como Edwin Hubble estaban catalogando miles de "universos insulares" y registrando información sobre sus tamaños, rotaciones y distancias de la Tierra.
Un aspecto clave que los astrónomos esperaban medir era la masa de una galaxia. Pero no puedes simplemente pesar algo del tamaño de una galaxia, tienes que encontrar su masa por otros métodos. Un método es medir la intensidad de la luz, o luminosidad. Cuanto más luminosa sea una galaxia, cuanta más masa posee (ver Cómo funcionan las estrellas). Otro enfoque es calcular la rotación del cuerpo de una galaxia, o disco, rastreando qué tan rápido se mueven las estrellas dentro de la galaxia alrededor de su centro. Las variaciones en la velocidad de rotación deberían indicar regiones de gravedad variable y, por lo tanto, masa.
Cuando los astrónomos comenzaron a medir las rotaciones de las galaxias espirales en las décadas de 1950 y 1960, hicieron un descubrimiento desconcertante. Esperaban ver estrellas cerca del centro de una galaxia, donde la materia visible está más concentrada, moverse más rápido que las estrellas en el borde. En cambio, lo que vieron fue que las estrellas en el borde de una galaxia tenían la misma velocidad de rotación que las estrellas cerca del centro. Los astrónomos observaron esto primero con la Vía Láctea, y luego, en los 1970s, Vera Rubin confirmó el fenómeno cuando realizó mediciones cuantitativas detalladas de estrellas en varias otras galaxias. incluida Andrómeda (M31).
La implicación de todos estos resultados apuntó a dos posibilidades:algo estaba fundamentalmente mal con nuestra comprensión de la gravedad y la rotación, lo que parecía poco probable dado que las leyes de Newton habían resistido muchas pruebas durante siglos. O, más como, Las galaxias y los cúmulos galácticos deben contener una forma invisible de materia:hola, materia oscura - responsable de los efectos gravitacionales observados. A medida que los astrónomos centraron su atención en la materia oscura, comenzaron a recopilar pruebas adicionales de su existencia.
Pioneros de la materia oscuraEl concepto de materia oscura no se originó con Vera Rubin. En 1932, el astrónomo holandés Jan Hendrik Oort observó que las estrellas de nuestro vecindario galáctico se movían más rápidamente de lo que predijeron los cálculos. Usó el término "materia oscura" para describir la masa no identificada requerida para causar este aumento de velocidad. Un año después, Fritz Zwicky comenzó a estudiar galaxias en el cúmulo de Coma. Usando medidas de luminosidad, determinó cuánta masa debería haber en el grupo y luego, porque la masa y la gravedad están relacionadas, calculó qué tan rápido deberían moverse las galaxias. Cuando midió sus velocidades reales, sin embargo, encontró que las galaxias se movían mucho, mucho más rápido de lo que esperaba. Para explicar la discrepancia, Zwicky sugirió que había más masa, dos órdenes de magnitud más, oculta entre la materia visible. Como Oort, Zwicky llamó a esta materia invisible materia oscura [fuente:SuperCDMS en Queen's University].
¡Es un anillo doble de Einstein! Hubble tomó la foto del campo gravitacional de una galaxia elíptica deformando la luz de dos galaxias exactamente detrás de ella. Gracias, Hubble. Imagen cortesía de NASA, ESA, y R. Gavazzi y T. Treu (Universidad de California, Santa Bárbara) Los astrónomos continuaron encontrando información desconcertante mientras estudiaban las galaxias lejanas del universo. Algunos intrépidos observadores de estrellas dirigieron su atención a cúmulos galácticos - Nudos de galaxias (desde 50 hasta miles) unidas por la gravedad, con la esperanza de encontrar charcos de gas caliente que no habían sido detectados previamente y que podrían explicar la masa atribuida a la materia oscura.
Cuando giraron los telescopios de rayos X, como el Observatorio de rayos X Chandra, hacia estos grupos, de hecho, encontraron vastas nubes de gas sobrecalentado. No es suficiente, sin embargo, para dar cuenta de las discrepancias en masa. La medición de la presión del gas caliente en los cúmulos galácticos ha demostrado que debe haber entre cinco y seis veces más materia oscura que todas las estrellas y el gas que observamos [fuente:Observatorio de rayos X Chandra]. De lo contrario, no habría suficiente gravedad en el cúmulo para evitar que el gas caliente se escape.
Los cúmulos galácticos han proporcionado otras pistas sobre la materia oscura. Tomando prestado de la teoría general de la relatividad de Albert Einstein, Los astrónomos han demostrado que los cúmulos y supercúmulos pueden distorsionar el espacio-tiempo con su inmensa masa. Los rayos de luz que emanan de un objeto distante detrás de un cúmulo atraviesan el espacio-tiempo distorsionado, lo que hace que los rayos se doblen y converjan a medida que se mueven hacia un observador. Por lo tanto, el cúmulo actúa como una gran lente gravitacional, muy parecido a una lente óptica (consulte Cómo funciona la luz).
La imagen distorsionada del objeto distante puede aparecer de tres formas posibles según la forma de la lente:
Midiendo el ángulo de flexión, Los astrónomos pueden calcular la masa de la lente gravitacional (cuanto mayor es la curvatura, cuanto más masiva sea la lente). Usando este método, Los astrónomos han confirmado que los cúmulos galácticos tienen masas elevadas que superan las medidas por la materia luminosa y, como resultado, han proporcionado evidencia adicional de materia oscura.
Chandra al rescateEn 2000, Chandra observó una gigantesca nube de gas caliente que envolvía el cúmulo de galaxias Abell 2029, lo que lleva a los astrónomos a estimar que el cúmulo debe contener una cantidad de materia oscura equivalente a más de cien billones de soles. Si otros clústeres tienen características similares, luego, del 70 al 90 por ciento de la masa del universo podría atribuirse a la materia oscura [fuente:Observatorio de rayos X Chandra].
Esta imagen compuesta de la fusión del cúmulo de galaxias Abell 520 ha superpuesto, mapas de "colores falsos" que muestran la concentración de luz estelar del cúmulo (naranja), gas caliente (verde) y materia oscura (gran parte del azul). Imagen cortesía de NASA, ESA, CFHT, CXO, M.J. Jee (Universidad de California, Davis), y A. Mahdavi (Universidad Estatal de San Francisco) A medida que los astrónomos reunían pistas sobre la existencia, y una cantidad asombrosa, de materia oscura, recurrieron a la computadora para crear modelos de cómo se podrían organizar las cosas extrañas. Hicieron conjeturas fundamentadas sobre cuánta materia bariónica y oscura podría existir en el universo, luego deje que la computadora dibuje un mapa basado en la información. Las simulaciones mostraron la materia oscura como un material en forma de red entrelazado con materia visible regular. En algunos lugares, la materia oscura se fusionó en grumos. En otros lugares, se estiró para formar largo, filamentos fibrosos en los que las galaxias aparecen entrelazadas, como insectos atrapados en seda de araña. Según la computadora, la materia oscura podría estar en todas partes, uniendo el universo como una especie de tejido conectivo invisible.
Desde entonces, Los astrónomos han trabajado diligentemente para crear un mapa de materia oscura similar basado en la observación directa. Y han estado usando una de las mismas herramientas, lentes gravitacionales, que ayudaron a probar la existencia de materia oscura en primer lugar. Al estudiar los efectos de desvío de la luz de los cúmulos de galaxias y combinar los datos con mediciones ópticas, han podido "ver" el material invisible y han comenzado a ensamblar mapas precisos.
En algunos casos, los astrónomos están mapeando cúmulos individuales. Por ejemplo, en 2011, dos equipos utilizaron datos del Observatorio de rayos X de Chandra y otros instrumentos como el Telescopio Espacial Hubble para mapear la distribución de la materia oscura en un cúmulo de galaxias conocido como Abell 383, que se encuentra a unos 2.300 millones de años luz de la Tierra. Ambos equipos llegaron a la misma conclusión:la materia oscura en el cúmulo no es esférica sino ovoide, como un futbol americano, orientado con un extremo apuntando a los observadores. Los investigadores no estuvieron de acuerdo, sin embargo, sobre la densidad de la materia oscura en Abell 383. Un equipo calculó que la materia oscura aumentó hacia el centro del cúmulo, mientras que el otro midió menos materia oscura en el centro. Incluso con esas discrepancias, los esfuerzos independientes demostraron que la materia oscura podía detectarse y mapearse con éxito.
En enero de 2012, un equipo internacional de investigadores publicó los resultados de un proyecto aún más ambicioso. Usando la cámara de 340 megapíxeles del Telescopio Canadá-Francia-Hawái (CFHT) en la montaña Mauna Kea en Hawái, Los científicos estudiaron los efectos de lente gravitacional de 10 millones de galaxias en cuatro regiones diferentes del cielo durante un período de cinco años. Cuando cosieron todo junto, tenían una imagen de la materia oscura mirando a través de mil millones de años luz de espacio, el mapa más grande de la materia invisible producido hasta la fecha. Su producto final se parecía a las simulaciones por computadora anteriores y reveló una vasta red de materia oscura que se extendía por el espacio y se mezclaba con la materia normal que conocemos desde hace siglos.
Basado en la evidencia, la mayoría de los astrónomos están de acuerdo en que existe materia oscura. Más allá de eso, tienen más preguntas que respuestas. La pregunta más importante nos atrevemos a decir que uno de los más grandes de toda la cosmología, se centra en la naturaleza exacta de la materia oscura. ¿Es exótico? tipo de materia no descubierta, ¿O es materia ordinaria lo que nos cuesta observar?
La última posibilidad parece poco probable, pero los astrónomos han considerado algunos candidatos, al que se refieren como MACHO , o objetos de halo compactos masivos . Los MACHO son objetos grandes que residen en los halos de las galaxias pero eluden la detección porque tienen una luminosidad muy baja. Tales objetos incluyen enanas marrones, enanas blancas extremadamente tenues, estrellas de neutrones e incluso agujeros negros. Los MACHO probablemente contribuyan de alguna manera al misterio de la materia oscura, pero simplemente no hay suficientes para dar cuenta de toda la materia oscura en una sola galaxia o cúmulo de galaxias.
Los astrónomos creen que es más probable que la materia oscura consista en un tipo de materia completamente nuevo construido a partir de un nuevo tipo de partícula elemental. En primer lugar, ellos consideraron neutrinos , partículas fundamentales postuladas por primera vez en la década de 1930 y luego descubiertas en la década de 1950, pero por tener tan poca masa, los científicos dudan de que constituyan mucha materia oscura. Otros candidatos son productos de la imaginación científica. Son conocidos como WIMPs (por partículas masivas que interactúan débilmente ), y si existen, estas partículas tienen masas decenas o cientos de veces mayores que las de un protón, pero interactúan tan débilmente con la materia ordinaria que son difíciles de detectar. Los WIMP pueden incluir cualquier cantidad de partículas extrañas, tal como:
Los científicos de todo el mundo continúan buscando agresivamente estas partículas. Uno de sus laboratorios más importantes, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), se encuentra a gran profundidad en un túnel circular de 26,5 millas de largo que cruza la frontera franco-suiza. Dentro del túnel Los campos eléctricos aceleran dos haces llenos de protones a velocidades absurdas y luego les permiten colisionar. que libera un complejo spray de partículas. El objetivo de los experimentos del LHC no es producir WIMP directamente, sino para producir otras partículas que pudieran descomponerse en materia oscura. Este proceso de descomposición, aunque casi instantáneo, permitiría a los científicos realizar un seguimiento de los cambios de impulso y energía que proporcionarían evidencia indirecta de una partícula nueva.
Otros experimentos involucran detectores subterráneos que esperan registrar partículas de materia oscura que pasan rápidamente por la Tierra (ver recuadro).
Enterrado en MinnesotaSi las galaxias distantes se encuentran típicamente dentro de un sudario de materia oscura, entonces la Vía Láctea puede, también. Y si es así entonces la Tierra debe estar atravesando un mar de partículas de materia oscura mientras orbita alrededor del sol, y el sol viaja alrededor de la galaxia. Para detectar estas partículas, el equipo de Búsqueda de materia oscura criogénica (CDMS) enterró una serie de células de germanio en las profundidades del suelo en Sudán, Minn. Si existen partículas de materia oscura, deben atravesar tierra sólida y golpear los núcleos de los átomos de germanio, que retrocederá y producirá pequeñas cantidades de calor y energía. En 2010, el equipo informó que había detectado dos WIMP candidatos que golpeaban la matriz de células. Por último, los científicos decidieron que los resultados no eran estadísticamente significativos, pero fue otra pista tentadora en la búsqueda de la sustancia más misteriosa del universo.
No todo el mundo está convencido de la materia oscura, ni por asomo. Algunos astrónomos creen que las leyes del movimiento y la gravedad, formulado por Newton y ampliado por Einstein, puede que finalmente haya conocido a su pareja. Si ese es el caso, luego una modificación de la gravedad, no una partícula invisible, podría explicar los efectos atribuidos a la materia oscura.
En la década de 1980, El físico Mordehai Milgrom sugirió que la segunda ley del movimiento de Newton (fuerza =masa x aceleración, f =ma) debería reexaminarse en los casos de movimientos galácticos. Su idea básica era que a muy bajas aceleraciones, correspondiente a grandes distancias, la segunda ley se rompió. Para que funcione mejor añadió una nueva constante matemática a la famosa ley de Newton, llamando a la modificación MOND , o Dinámica newtoniana modificada . Debido a que Milgrom desarrolló MOND como una solución a un problema específico, no como un principio fundamental de la física, muchos astrónomos y físicos han gritado mal.
También, MOND no puede explicar la evidencia de materia oscura descubierta por otras técnicas que no involucran la segunda ley de Newton, como la astronomía de rayos X y las lentes gravitacionales. Una revisión de 2004 a MOND, conocido como Te ves ( Tensor-Vector-Gravedad escalar ), introduce tres campos diferentes en el espacio-tiempo para reemplazar el campo gravitacional. Debido a que TeVeS incorpora la relatividad, puede adaptarse a fenómenos como la aplicación de lentes. Pero eso no resolvió el debate. En 2007, Los físicos probaron la segunda ley de Newton hasta aceleraciones tan bajas como 5 x 10 -14 Sra 2 e informó que f =ma es cierto sin las modificaciones necesarias (consulte Actualización de noticias del Instituto Estadounidense de Física:"Segunda ley del movimiento de Newton, " 11 de abril, 2007), haciendo que MOND parezca aún menos atractivo.
Otras alternativas consideran la materia oscura como una ilusión resultante de la física cuántica. En 2011, Dragan Hajdukovic de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) propuso que el espacio vacío está lleno de partículas de materia y antimateria que no son solo opuestos eléctricos, pero también opuestos gravitacionales. Con diferentes cargas gravitacionales, las partículas de materia y antimateria formarían dipolos de gravitación en el espacio. Si estos dipolos se formaran cerca de una galaxia, un objeto con un campo gravitacional masivo, los dipolos gravitacionales se polarizarían y fortalecerían el campo gravitacional de la galaxia. Esto explicaría los efectos gravitacionales de la materia oscura sin requerir formas nuevas o exóticas de materia.
Según esta línea de tiempo de la NASA, la expansión del universo se acelera. Imagen cortesía de NASA Si la materia oscura actúa como pegamento cósmico, los astrónomos deben poder explicar su existencia en términos de la teoría predominante de la formación del universo. La teoría del Big Bang establece que el universo primitivo experimentó una enorme expansión y todavía se está expandiendo hoy. Para que la gravedad agrupe las galaxias en paredes o filamentos, debe haber grandes cantidades de masa sobrante del big bang, masa particularmente invisible en forma de materia oscura. De hecho, Las simulaciones por supercomputadora de la formación del universo muestran que las galaxias, Los cúmulos galácticos y estructuras más grandes pueden eventualmente formarse a partir de agregaciones de materia oscura en el universo temprano.
Además de dar estructura al universo, la materia oscura puede jugar un papel en su destino. El universo se expande pero ¿se expandirá para siempre? La gravedad determinará en última instancia el destino de la expansión, y la gravedad depende de la masa del universo; específicamente, hay una densidad crítica de masa en el universo de 10 -29 g / cm 3 (equivalente a unos pocos átomos de hidrógeno en una cabina telefónica) que determina lo que podría suceder.
Las mediciones de densidad de masa deben incluir tanto materia clara como oscura. Entonces, es importante saber cuánta materia oscura existe en el universo.
Observaciones recientes de los movimientos de supernovas distantes sugieren que la tasa de expansión del universo en realidad se está acelerando. Esto abre una cuarta posibilidad, un universo acelerado, en el que todas las galaxias se alejarán unas de otras con relativa rapidez y el universo se volverá frío y oscuro (más rápido que en el universo abierto, pero todavía del orden de decenas de miles de millones de años). Se desconoce qué causa esta aceleración, pero se le ha llamado energía oscura. Energía oscura es incluso más misterioso que la materia oscura, y solo otro ejemplo de la oscuridad de la astronomía en las afueras de la ciudad. Quizás el universo como sugiere Springsteen, llevará sus secretos por mucho tiempo, largo tiempo:
Todo el mundo tiene un secreto Hijo, Algo que simplemente no pueden enfrentar Algunas personas pasan toda su vida tratando de mantenerlo Lo llevan consigo en cada paso que dan.
Publicado originalmente:4 de septiembre de 2007
