Materia oscura es ese algo que llena el Universo, que ejerce una influencia gravitacional a su alrededor, pero que no somos capaces de ver. Tal concepto tiene agregado la advertencia por los científicos de no ser confundido con antimateria, o energía oscura, pues cada término tiene una definición distinta.
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Averigüemos de qué se trata la Materia oscura
Primero que nada, vamos a tratar lo que significa materia como tal, que según algunos diccionarios y los mismos astrónomos y científicos que definen los conceptos relacionado con Astronomía, lo definen como la sustancia que compone los cuerpos físicos, y se caracteriza por tener propiedades de extensión, inercia y gravitación.
Ahora, Materia oscura es también una sustancia, pero con el detalle de que no es visible al ojo humano, como tampoco puede identificarse o visualizarse con la utilización de instrumentos o telescopios, simplemente es ese algo que se encuentra en el universo más profundo, muy lejano y con temperaturas bastantes frías.
En la historia, el primer científico que tocó el tema de la Materia oscura y comenzó a desarrollar trabajos de investigación fue Fritz Zwicky en 1933, que la definía como materia no visible. Fue un astrónomo estadounidense búlgaro que trabajó además en la termodinámica y la física en estado sólido, pero su actividad principal fue la física cósmica.
Este astrónomo colaboró con W Baade en el estudio de las novas y supernovas, realizando numerosas búsquedas y observaciones de las supernovas en las galaxias lejanas descubriendo 18 para ese entonces, cuando se había descubierto sólo 12.
En el transcurso de estas investigaciones descubrió nuevos tipos de galaxias enanas, algunos conglomerados de galaxias y los puentes de material intergaláctico que unen dos galaxias separadas.
Continuando con el tema de Materia oscura, en sus escritos, este astrónomo la describía como oscura y eléctricamente neutra, no interactúa con ondas electromagnéticas, ni las absorbe ni las emite. Es decir, explica que es estable, perdura en el tiempo y es fría. Tampoco se mueve a velocidades cercanas a la de la luz.
Métodos para detectarla
La teoría que se maneja para entender la Materia oscura dice que se necesita física nueva, esto quiere decir que se requerían contextos más allá del modelo estándar. Aquí es cuando entran en escena candidatos como acciones, partículas super simétricas, señales que viven en dimensiones extras y un buen numero de aspirantes a Materia oscura.
El reto es detectarla experimentalmente, que es una tarea complicada no solo por el hecho de que no irradia, sino porque interactúa muy poco con la materia. Nuestro Planeta está dentro de este gran halo y lo vemos constantemente cuando es trazado por partículas de Materia oscura y nuestros aparatos no lo perciben. Aun así, los físicos tienen entre manos dos métodos para hallarlas.
Por un lado están los métodos de detección directa, en donde intentan observar una colisión entre una partícula de Materia oscura y un átomo de un detector. Por ejemplo, en el caso de un cristal, dicha colisión produce vibraciones en la red del detector, su ionización y una pequeña emisión de luz que se podrían medir.
Se tarta de un experimento de arduo trabajo, tienen que blindarse y aislarse en el subsuelo para detectarse colisiones de otras partículas.
Otros métodos son los llamados de detección indirecta, que son los que buscan los productos de una posible interacción de partícula de Materia oscura en el halo de nuestra galaxia. Neutrinos, antimateria, incluso fotones, que podemos captar con una gran variedad de experimentos.
Desde gigantescos telescopios de netrinos en el fondo del mediterráneo y en el hielo de la Antártida hasta detectores montados en satélites. Así como telescopios de rayos gamma sobre la superficie terrestre.
Todo el planeta está en busca de la Materia oscura. Por ejemplo, en España se encuentra un grupo de profesionales que conforman el proyecto llamado Multidark, que se trata liderado por investigadores españoles cuyo objetivo es la identificación y detección de la Materia oscura apoyando la investigación teórica como los experimentos que se realizan alrededor del mundo.
Vera Rubín presentó otra versión de Materia oscura
Otro punto importante en el tema de la Materia oscura vino unos cuarenta años después con Vera Rubín, que como todo científico ante la presentación de una teoría se busca la confirmación, buscando lo que se conoce como curva de rotación galáctica.
Estas curvas representan la distancia en la que se encuentran las estrellas del centro de la galaxia en el eje X, frente a su velocidad orbital en el eje I, al hacer esto, Vera obtuvo algo muy interesante. Teniendo en cuenta las leyes de Newton-Kepler, cabe esperar que según nos alejamos del núcleo galáctico la velocidad a la que se desplazan las estrellas decrezca.
Es similar a lo que ocurre en nuestro sistema solar, sin embrago Vera observa una velocidad constante con la distancia, algo imposible de explicar por la cantidad de estrellas que se observan y su distribución en la galaxia.
La única forma de que esas estrellas no salgan disparadas fuera de la galaxia es porque hay algún tipo de materia invisible que las mantenga confinadas, una materia que debería ser dominante en la galaxia, dando cuenta de un 80% de la masa total, es decir, la Materia oscura.
Existen otras técnicas de medir la masa de una galaxia; por medio de lentes gravitacionales. La luz también se ve afectada por la gravedad curvandose al pasar cerca de un cuerpo masivo. Esto genera un efecto del lente de forma similar a una lupa, al curvar la luz el objeto en la línea de visión aparece distorsionado.
La luz de una estrella lejana se curvará al pasar cerca de una galaxia intermedia, dependiendo de como es distorsionada la imagen de la estrella, podremos saber la masa del cuerpo intermedio, la galaxia.
Ahora contamos las estrellas de la Vía Láctea; obtenemos su masa y la masa obtenida contando estrellas es un 20% de la masa obtenido por efecto del lente gravitacional, hay mas masa de las que a simple vista se puede detectar.
La Materia oscura ha dejado su rastro en el fondo cósmico del microondas, las cenizas del Big Bang que nos muestra un tipo de materia no bariónica que juega un papel importante en el mismo universo.
Explica también que los modelos de formación de galaxias son incapaces de recrear una situación realista sin añadir la materia oscura del universo, la cual fue fundamental para que la gravedad le ganara la partida a la expansión del universo en la formación de estructuras, galaxias, y estrellas.
Características de la Materia oscura
Toda esta explicación da cuenta que de no ser por ella no existiríamos. Tiene que tener masa, de hecho tiene que dar cuenta del 80% de la masa del universo. Por un tiempo se pensó que podía ser neutrinos, pero su pequeña masa hace que se tenga que descartar. Entre sus características se planeta que debe ser fría, nada de materia relativista, por lo que de nuevo aquí se descarta la existencia de neutrinos.
Otro aspecto de la Materia oscura es que está distribuida por todo el halo de la galaxia adquiriendo en gran medida el tamaño de ésta y tiene que ser materia no bariónica por lo que descartamos los objetos masivos de halo compactos, que en inglés se les describe como M.A.C.H.O.s., al estar formados por bariones, es decir, protones y netrones. Con este nombre tan curioso, hacemos referencia a enanas marrones como Júpiter, nubes de polvo, agujeros negros y planetas errantes.
No tiene que emitir luz porque si no la veríamos. La Materia oscura no interacciona electromagnéticamente.
incluyen además entre sus características que es un tipo de materia que no forma parte del modelo estándar y posee neutralino. Esta hipotética partícula es el hermano supersimétrico del neutrino, es decir, es neutra, débilmente interactuante, bosonica y con mucha masa. No ha aparecido ningún signo de su existencia, lo que ha hecho que cada vez menos físicos crean en su validez.
Se habla también de los axiones, que es una partícula que se introdujo para poder explicar la constipación de la simetría CP en la fuerza fuerte. Si existiera esta partícula se estarían multiplicando millones de ellos en el Sol, pero aun así nunca nadie ha visto una axión.
También se explican los modos de Kaluza Klein, científico que inventó la unificación del electromagnetismo en la gravedad, cosa que buscó Einsten durante varias décadas sin éxito, añadiendo nuevas dimensiones. Su trabajo mejorado por Klein dejó impresionado al mismo Einstein. La idea consistía en que al igual que la gravedad, es una distorsión del espacio tiempo tridimensional.
El electromagetismo también puede ser una distorsión, en este caso, de un espacio de más dimensiones. Se estaría hablando de la existencia de unas partículas que podrían ser candidatas a Materia oscura, con muchas más incognitas y datos objetivos, la existencia de la materia oscura es uno de los grandes enigmas de la ciencia actual.
¿Quién fue Vera Rubín?
Nació en Pensilvania, en 1928, a los diez años se despertó su interés por la Astronomía, que por su tesón la llevó a ser una de las guerreras científicas más importantes del siglo XX. Los cúmulos de galaxias le impresionaron luego de los importantes descubrimientos hechos por Zwicky que parecían insinuar la presencia de una materia invisible. (Ver artículo: Cúmulo de galaxias).
En la década de los 70, analizó el movimiento de las estrellas que orbitan en la parte exterior de las galaxias, comprobando que el movimiento podía ser explicando asumiendo la existencia de lo que se llama Materia oscura. Fallece a los 88 años de edad, y siempre será recordada como la persona que confirmó tal episodio en la Astronomía.
La curvas de rotación de las galaxias fue el inicio, recibiendo la sugerencia de que empezara por Andromeda, que es una de las galaxias más cercanas, observando el movimiento de rotación de las estrellas externas en la galaxia, encontrando que la velocidad a la que iban era mucho mayor a la que las leyes de gravitación decían. (Ver artículo: Galaxias cercanas a la Vía Láctea).
Allí hizo el aviso a su familia, asegurando que Fritz tenía razón, quien había propuesto la posibilidad de la Materia oscura, pero faltaban esos cálculos hechos por Vera. En su mirada tenía un brillo de inteligencia, con una sensación de misterio que la acompañó toda su vida, considerando lo que significó siempre la Cosmología y sus estudios, que nunca terminarán por la expansión infinita del universo.
El misterio de nunca acabar
La arena, el agua, el sol, el universo entero está hecho de átomos. En la escuela nos enseñan que el universo está compuesto por átomos, pero existe un universo mucho mas basto que está aún por explorar que se compone por una materia completamente diferente, de partículas desconocidas, cuyas naturaleza aun están tratando de descubrir.
En la actualidad, la ciencia intenta desentrañar el misterio que pone entela de juicio ciertas convicciones. Ahora sabemos que existe otra cosa en el cosmos, una realidad que apenas comenzamos a entrever, por lo que hasta ahora hemos descrito.
La mayor parte del universo está hecho de algo que no se llega a comprender. El 95% permanece aún inexplorado. De hecho, los átomos constituirían un 5% apenas de la materia, el resto, resulta desconocido. Se sabe lo que no es, pero no se sabe lo que es, aseguran algunos investigadores natos.
La Materia oscura no es sobrenatural, aunque su misterioso comportamiento pueda inducir a creerlo. Algunos llaman materia fantasma a esta materia invisible que nos rodea. Pero no interactua en absoluto con nosotros. Es como si llevara una existencia paralela.
Científicos de todo el mundo se han lanzado una frenética barrera para buscar la Materia oscura en el cielo, pero también bajo la tierra y en el espacio. Sin embargo por el momento cuanto más se perfeccionan los instrumentos de búsqueda y los experimentos, más revelan la amplitud de la ignorancia al respecto.
¿Qué es la Materia oscura? es la pregunta infinita. Es la materia que colma los cielos e impide dormir por las noches a muchos científicos. Asegura la comunidad astrónoma que nos encontramos en los albores de una verdadera revolución científica, equiparable a la revolución copernicana. Encontrar una partícula de materia oscura sería exitoso, resolvería la pregunta primordial de la ciencia; ¿De qué está hecho el universo?.
Los astrofísicos están convencidos de la existencia de esta Materia invisible, porque sin Materia oscura el universo no funcionaría, alegan que no hay suficiente gravedad para que las estrellas y galaxias giren a la velocidad a la que las vemos girar.
Se ha descubierto que no hay suficiente estrellas que proporcionen la gravedad necesaria para la cohesión de la Vía Láctea. Califican como suerte para la humanidad que haya Materia oscura extra en la galaxia. Eso proporciona la fuerza suplementaria para mantener cohesionado el conjunto.
Sin Materia oscura, no habría suficiente fuerza gravitatoria y todas las estrellas se disgregarían en el cosmos. Esta historia se originó en 1930, pero el problema no fue planteado hasta 1960, por Vera, como lo habíamos mencionado con anterioridad, y desde Newton se sabe que el sistema solar cuanto más alejado se encuentren los planetas del sol, menor es un velocidad de traslación.
Vera esperaba por tanto que la velocidad de las estrellas de la galaxia de Andromeda siguiera la misma curva decreciente, pero no fue eso lo que observó, La velocidad de las estrellas se mantenían constante independiente de la distancia que las separara del centro de la galaxia. (Ver artículo: ¿Qué hay en el centro de la galaxia?).
Las preguntas habituales eran: ¿Por que lo que era a cierta escala del sistema solar, dejaba de serlo a escala de una galaxia?, ¿había que modificar la teoría de Newton al pasar a una escala mucho mayor?, o ¿había que inventar una materia suplementaria extremadamente pesada capaz de crear la gravedad necesaria para que cumplieran las ecuaciones?.
En este aspecto, Vera Rubín no solía enfrentarse a la teoría de Newton y optó por la segunda solución. Postuló que una masa oculta permitía a las estrellas girar a gran velocidad sin salir despedidas a los confines del universo. La idea de la Materia oscura es esa. Existe anomalía en el comportamiento y dinámica de las galaxias.
Para comprender esto, suponen que existe una Materia oscura, invisible que participa en el movimiento de las galaxias y cuyo origen y naturaleza desconoce. A partir de ese descubrimiento, los científicos se esfuerzan en demostrar su existencia. Pero, ¿como detectar una sustancia invisible?
La materia normal es visible para nosotros, porque es capaz de absorber o reflejar la luz. Algo parecido a lo que ocurre con una linterna cuando se apunta a cualquier objeto; se refleja sobre ellos la luz emitida por la linterna. Por el contrario la Materia oscura no emite la luz y la luz la atraviesa completamente.
Por eso es totalmente oscura y la única forma de verla es observando los efectos en el entorno que la rodea. En la gráfica anterior se muestra por ejemplo, la luna cuarto creciente, para ilustra lo que tratamos de explicar de la Materia oscura que lo rodea.
También algunos expertos para poner ejemplos simples utilizan el cuerpo humano, invitando a imaginar que es invisible, al tomar una taza de café se observa el movimiento de la taza, Aunque el cuero no se ve, se sabe que existe algo con una fuerza gravitatoria que mueve la taza. Un fenómeno parecido ocurre con la Materia oscura en el universo que actúa sobre su entorno gracias a los efectos de la gravitación.
Para detectar la Materia oscura, el científico Yannick Melier, astrónomo del instituto de física de Astrofísica de París, utiliza la curvatura del espacio tiempo descrita por Einsten en su teoría de la relatividad general. Para entender el espacio tiempo de Einstein y el origen de la desviación de rayos luminosos del universo, hay que representar el universo como un mantel a cuadros.
Una especie de rejilla sobre la cual colocamos un objeto compacto masivo y en cada uno de los lugares en lo que se deposita una esfera el mantel se deforma. Dicha deformación es la deformación local del espacio – tiempo tal como la concibe Alber Einstein en la relatividad general.
Si luego se propagan rayos de luz donde se atraviesan las esferas, los rayos de luz se desviarán por efecto de la deformación del espacio – tiempo producida por la materia.
Einstein llama a este efecto lente gravitacional, donde el objeto que constituye la lente posee masa y densidad suficiente como para curvar los rayos de luz. Pero este fenómeno siegue siendo teórico y no ha sido observado nunca.
Sorprendente descubrimiento
Yannick y sus colegas detectan por casualidad un extraño fenómeno en el cielo de Hawaii, en uno de sus tantos trabajos de investigación por seguir la Materia oscura. En 1985 se traslada a uno de los mejores telescopios del mundo a 4200 metros de altitud.
El propósito original de su investigación no fue estudiar las propiedades de la Materia oscura, sino la evolución de los grandes cúmulos de las galaxias situadas a grandes distancias de la tierra y de repente detectaron una estructura muy extraña, semejante a una sonrisa, alargada, más alargada que una galaxia y además sumamente distorsionada.
En la época no había catalogado Yannick ningún objeto gastronómico de esas características, por lo que se encontraron frente a una enigma que los puso a trabajar al respecto para interpretar dicho fenómeno. Se trata de la firma de otra galaxia que se encuentra detrás de Abel 370.
Como ejemplo explicó que el observador con su telescopio se encuentra en un punto y una galaxia se encuentra perfectamente alineada al otro extremo respecto a Abel 370 y al observador, entonces se produce un fenómeno de deflección de luz extremadamente intenso, que genera la formación de un arco gravitacional.
Método para medir y ver la Materia oscura
El razonamiento de Yanick no se detiene ahí. Si los arcos gravitacionales existen, significa que una materia oculta proporciona a las galaxias una masa suficiente para deformar la luz. De modo que mediante la observación de la curvatura de los arcos, se puede ver donde se encuentra la Materia oscura y su distribución alrededor de las galaxias.
Yanick se da cuenta que dispone de una herramienta para detectar la Materia oscura en el universo y en ese momento comienza una carrera contra reloj para ser el primero en publicar este descubrimiento. Anunció el resultado y quince días después aparecieron dos artículos más; uno de los ingleses y otro de los estadounidenses que detectaron de manera independiente con otros datos exactamente el mismo fenómeno.
Esa fue calificada como la autentica revolución de la lente gravitacional en la astrofísica, el hecho de que por primera vez habían encontrado un objeto, un método para ver la materia oscura, medirla y cuantificar su presencia.
La idea de la lente gravitacional puede parecer complicada, pero el efecto de la distorsión de la luz es algo que se ve todos los días. Por ejemplo si vemos a través de un vaso de agua, obtenemos detrás una imagen distorsionada. En Astronomía sucede lo mismo.
La imagen deformada de una galaxia nos indica que delante de ella hay Materia oscura y es la prueba que existe algo invisible con una enorme masa. De modo que la idea de la lente gravitacional es normal por ser utilizada a diario.
Por su parte, Richard Massey, astrónomo de la Universidad de Inglaterra elaboró un mapa en tres dimensiones de la Materia oscura en el universo, aun cuando asegura que explorar nuevos campos científicos es como cruzar una nueva frontera hacia lo desconocido. Primero se traza el mapa del territorio y seguidamente lo se explora.
Explicó que la luz no viaja en línea recta, sino que es desviada por la masa de Materia oscura que la luz contornea. Lo que finalmente se ve no es la imagen real de la galaxia sino una imagen distorsionada, puesto que los rayos de luz emitidos por la galaxia son deformados, curvados.
Aunque no podamos ver la Materia oscura directamente, la distorsión de la imagen emitida por esa galaxia tan distante, nos indica que hay algo muy pesado e invisible entre ella y nosotros.
Entonces, actualmente con la utilización de estos métodos, se deduce que los astrónomos ya pueden rastrear el contorno de la materia oscura. Aun cuando se han obtenido resultados tan relevantes como estos dos {ultimo presentados relacionados con la misteriosa Materia oscura, los investigadores continúan con el arduo trabajo de completar el rompecabezas que inició con el origen del universo.
Sin duda, no ha habido científico curioso no haya querido indagar en el tema de la Materia oscura o llamada también materia fantasma. Sin embargo, cada científico respeta los espacios del resto aunado a que sería abrir una caja de pandoras incursionar o refutar las teoría de los brillantes científicos de principios de siglo y sus teorías.
Las investigaciones relacionadas con la Materia oscura se han extendido por el mundo entero. El misterio y lo contradictorio con algo que existe pero que no se ve, o algo que saben que está allí pero no hay métodos o aplicaciones para demostrarla ha traído de cabezas a todos por igual.
