Materia oscura

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Mapa tridimensional de materia oscura compilado por NASA , ESA y R. Massey ( CALTECH )

En cosmología con materia oscura se define un componente hipotético de la materia que, a diferencia de la materia conocida, no emitiría radiación electromagnética y actualmente solo sería detectable indirectamente a través de sus efectos gravitacionales . ^[1]

La hipótesis surge para justificar diversas observaciones astrofísicas, en particular estimaciones de la masa de galaxias o cúmulos de galaxias y las propiedades de las fluctuaciones en el fondo cosmológico , sobre cuya base, de acuerdo con las leyes de la gravitación estándar, la materia oscura debería constituir casi 90% de la masa presente en el universo. ^{[2] [3]}

Se han formulado diversas hipótesis sobre su composición, como gas molecular, estrellas muertas, una gran cantidad de enanas marrones o agujeros negros . ^{[ cita requerida ]} Sin embargo, las estimaciones de la densidad del universo y el número de átomos probablemente indiquen una naturaleza no bariónica de este tipo de materia. Los astrofísicos plantean la hipótesis de la existencia de nuevas partículas, posiblemente supercompañeras (como neutralino ), agrupadas bajo el nombre genérico de partículas masivas que interactúan débilmente . Se están realizando muchos experimentos para detectar y estudiar directamente las partículas de materia oscura, pero ninguno ha tenido éxito todavía. La materia oscura se clasifica como "fría", "caliente" o "muy caliente" según su velocidad. Los modelos actuales favorecen un escenario de materia oscura fría.

Además de tener una abundancia al menos cinco veces mayor que la materia actualmente detectable, la materia oscura constituiría, según los modelos de formación y evolución de galaxias, alrededor del 27% de la densidad energética total del universo observable; por este motivo, la mayoría de los expertos cree que tuvo una fuerte influencia en su estructura y evolución. Aunque la existencia de materia oscura es generalmente aceptada por la comunidad científica, algunos astrofísicos, basándose en algunas observaciones que no están bien explicadas ni siquiera por esta hipótesis, proponen diversas modificaciones de las leyes de la relatividad general , sin invocar materia complementaria no bariónica.

Aspectos generales

Estimación de la distribución de masa-energía en el universo (encuestas de 2013): energía oscura, materia oscura, materia conocida

A pesar de mapas detallados que cubren el espectro de emisiones electromagnéticas en el Universo cercano desde ondas de radio hasta rayos gamma , solo se ha identificado alrededor del 10% de la masa que resultaría de los efectos gravitacionales observables.El astrónomode la Universidad de Washington Bruce H. Margon le dijo al New York Times en 2001 :

Las mediciones más recientes indican que la materia oscura constituiría aproximadamente el 86% de la masa del universo y aproximadamente el 27% de su energía . Inicialmente se lo denominó " masa faltante ", un término que puede inducir a error ya que sus efectos gravitacionales parecerían ser observables; sin embargo, los instrumentos de análisis espectroscópico no detectan la radiación electromagnética de esta materia, de ahí el adjetivo "oscuro" ya que solo faltaría su "luz".

El concepto de materia oscura tiene sentido dentro del modelo estándar actual de cosmología basado en el Big Bang por dos razones fundamentales:

• de lo contrario, no se podría explicar la formación de galaxias y cúmulos de galaxias en el tiempo calculado a partir del evento inicial del propio Big Bang.
• En un escenario cosmológico como el actual, que prevé la gravedad como única fuerza cosmológica, no sería posible explicar cómo se pueden mantener intactas las galaxias , dado que la materia visible, compuesta por bariones , no es capaz de desarrollar una atracción gravitacional suficiente. .

Por otro lado, si el modelo resulta ser incorrecto, puede que no haya necesidad de la hipótesis de la materia oscura, ya que se deriva solo de la violación de un modelo matemático y no de ninguna prueba experimental determinada.

La materia oscura no debe confundirse con las diferentes hipótesis que se conocen con el nombre de energía oscura .

Fondo

Variación de la materia oscura con la distancia (datos HST )

En 1933 el astrónomo Fritz Zwicky estaba estudiando el movimiento de cúmulos de galaxias distantes y de gran masa, en este caso los cúmulos de Coma y Virgo . Zwicky estimó la masa de cada galaxia en el cúmulo basándose en su brillo y agregó todas las masas galácticas para obtener la masa total del cúmulo. Luego obtuvo una segunda estimación independiente de la masa total, basada en la medición de la dispersión de las velocidades individuales de las galaxias en el cúmulo; esta segunda estimación de masa dinámica fue 400 veces mayor que la estimación de galaxias basada en la luz.

Aunque la evidencia experimental ya existía en la época de Zwicky, no fue hasta la década de 1970 que los científicos comenzaron a explorar esta discrepancia de manera sistemática y que se comenzó a considerar la existencia de materia oscura. Su descubrimiento no solo resolvería la falta de masa en los cúmulos de galaxias, sino que tendría consecuencias de mucho mayor alcance en la capacidad del hombre para predecir la evolución y el destino del Universo .

Posible evidencia de materia oscura

La rotación de las galaxias.

Curva de rotación de la galaxia: (A): predicha; (B): observado.

Las curvas de rotación de las galaxias espirales proporcionan evidencia observacional importante de la necesidad de materia oscura. Estas galaxias contienen una gran población de estrellas colocadas en órbitas casi circulares alrededor del centro galáctico . Al igual que con las órbitas planetarias , según la segunda ley de Kepler , las estrellas con órbitas galácticas más grandes deberían tener velocidades orbitales más bajas , pero esta ley solo es aplicable a las estrellas cercanas a la periferia de una galaxia espiral, ya que asume que la masa encerrada por la órbita es constante. .

Sin embargo, los astrónomos han realizado observaciones de las velocidades orbitales de las estrellas en las regiones periféricas de un gran número de galaxias espirales y en ningún caso siguen la segunda ley de Kepler : en lugar de disminuir en grandes radios, las velocidades orbitales permanecen aproximadamente constantes. La implicación es que la masa encerrada por órbitas de radio creciente aumenta incluso para las estrellas que aparentemente están cerca del borde de la galaxia. Aunque se encuentran cerca del borde de la parte brillante de la galaxia, tiene un perfil de masa que aparentemente continúa mucho más allá de las regiones ocupadas por las estrellas.

Considerando las estrellas cercanas a la periferia de una galaxia espiral, con velocidades orbitales normalmente observadas de 200 km / s , si la galaxia estuviera compuesta solo de materia visible estas estrellas la dejarían en poco tiempo, ya que sus velocidades orbitales son cuatro veces más rápidas. . grande de la velocidad de escape de la galaxia. Dado que no se observa que las galaxias se estén dispersando de esta manera, debe haber una masa en su interior que no se tiene en cuenta al calcular toda la masa visible.

Las lentes gravitacionales

Lente gravitacional en un grupo de galaxias.

Otra posible prueba de la existencia de materia oscura la da la observación de efectos de lente gravitacional en presencia de una masa visible que es insuficiente para justificarlos. En 2008, un grupo de investigadores, entre ellos franceses y canadienses coordinados por el Instituto de Astrofísica de París, utilizando el Telescopio Canadá-Francia-Hawai (CFHT) ubicado en el monte Mauna Kea en Hawai , estudiaron miles de imágenes notando la desviación que la luz estaba también experimentado en lugares donde no se veían masas.

Otros aspectos experimentales

El 21 de agosto de 2006, la NASA publicó un comunicado de prensa en el que el Telescopio Espacial Chandra encontró evidencia directa de la existencia de materia oscura en la colisión de dos cúmulos de galaxias. ^[4] A principios de 2007, los astrónomos del Cosmic Evolution Survey y el Telescopio Espacial Hubble , utilizando información obtenida del telescopio Hubble e instrumentos terrestres, cartografiaron la materia oscura y descubrieron que impregna el universo; donde se encuentra materia visible también debe haber una gran cantidad de materia oscura, pero esta también está presente en áreas donde no hay materia visible. ^[5]

El 3 de abril de 2013, los científicos de la NASA informaron que los primeros resultados del experimento del Espectrómetro Magnético Alfa en la Estación Espacial Internacional muestran un exceso de positrones de alta energía en los rayos cósmicos , uno de los cuales podría ser la presencia de materia oscura. ^{[6] [7] [8] [9] [10] [11]} .

Hipótesis sobre la materia oscura

En la literatura han aparecido numerosas teorías para explicar la naturaleza de la llamada "masa perdida", vinculada a diversos fenómenos. La materia oscura estaría ubicada en el "negro" que rodea a las estrellas y se distingue básicamente en barión y no barión:

• La materia oscura bariónica es aquella formada por materia muy similar a la que constituyen las estrellas, planetas , polvo interestelar , etc., que sin embargo no emite radiación. Otros posibles constituyentes de la materia oscura bariónica se han indicado en MACHO ( Massive Compact Halo Objects ), objetos compactos de gran masa del halo galáctico.
• La materia oscura no bariónica está representada principalmente por las hipotéticas partículas WIMP (partículas masivas de interacción débil), con una gran unidad de masa, compuesta de materia intrínsecamente diferente del barión habitual e interactuando débilmente con él, por lo que es difícil de detectar. Se plantea la hipótesis de que pueden ser partículas supersimétricas como neutralini , o neutrinos masivos, o axiones u otras partículas nunca observadas y sujetas solo a la fuerza gravitacional yla interacción nuclear débil . Tres tipos de experimentos intentan revelar estas partículas: I) su producción en aceleradores de partículas , II) la observación de la energía que deben liberar cuando chocan con la materia ordinaria, III) la aniquilación entre las partículas de materia oscura presentes alrededor del centro de la galaxia o el sol podría dar partículas normales, como neutrinos, positrones, antiprotones . Además, el descubrimiento de que el neutrino tiene masa, aunque extremadamente baja, lo convierte en un candidato para representar al menos una porción de materia oscura y podría explicar en parte el exceso de masa de cúmulos y supercúmulos de galaxias, pero no el de galaxias individuales, ya que se mueve a una velocidad cercana a la de la luz, escapando tarde o temprano de la atracción gravitacional y saliendo de ellos.

Otras hipótesis se refieren a agujeros negros primordiales, estrellas marrones, estrellas solitarias , estrellas de bosones , pepitas de quarks .

Se cree que al menos el 90% de la materia oscura no es bariónica. De hecho, siendo la abundancia cósmica de deuterio (un átomo de deuterio por cada 100 000 de hidrógeno ) extremadamente sensible a la densidad de la materia en forma de bariones , una mayor densidad de bariones tendría en consecuencia una presencia mucho menor de deuterio. Por el contrario, la abundancia de deuterio observada es compatible con la densidad de la materia detectable.

También se hace una distinción en Cold Dark Matter , esencialmente representada por las hipotéticas partículas WIMP "lentas", y Hot Dark Matter , representada por neutrinos que son partículas superrápidas. El modelo estándar actual de cosmología predice que la materia oscura es casi toda fría.

En la teoría de cuerdas , particularmente en las variantes del mundo de las branas y del universo epirótico , la materia oscura no es más que la gravedad de la materia ordinaria de otra brana, cercana pero invisible, formada por cuerdas . ^[12]

Teorías alternativas

Un enfoque alternativo es no mantener las leyes de la gravitación correctas para valores de densidad tan bajos y / o escalas espaciales tan grandes. Por esta razón, muchos físicos han intentado desarrollar teorías gravitacionales capaces de describir observaciones experimentales sin hipotetizar la existencia de materia oscura, algunos ejemplos son:

• Arrigo Finzi , teoría modificada de la gravitación, 1963 ^[13]
• John W. Moffatt , gravitación no simétrica (NGT, teoría gravitacional no simétrica), 1994 ^[14]
• Mordehai Milgrom , teoría MOND , acrónimo de Modified Newtonian Dynamics , 1981. ^[15] Prevé que en las escalas de aceleración típicas de las zonas exteriores de las galaxias, la ley de Newton de la gravitación universal debe modificarse ligeramente para tener en cuenta la rotación plana. curvas sin recurrir a la materia oscura. La teoría MOND también fue apoyada y reelaborada por el pionero de la termodinámica de los agujeros negros, Jacob David Bekenstein.
• Jacob Bekenstein , tensor-vector-escalar gravitación (TeVeS), 2004. ^[16]
• El físico del CERN , Dragan Slavkov Hajdukovic, ha propuesto una nueva teoría ^[17] que plantea la hipótesis de que la materia oscura es una ilusión creada por la polarización gravitacional.
• Alexander Kashlinsky, investigador del Centro Espacial Goddard de la NASA, ha especulado que la materia oscura está formada por agujeros negros primordiales. Esta hipótesis se propuso mediante el estudio de los datos sobre la radiación infrarroja de fondo observada por el telescopio Spitzer y los datos de Chandra sobre las emisiones de rayos X en las mismas regiones del cielo. ^{[18] [19]}

A partir de 2020, aún no se ha construido tal teoría, pero dado que, al mismo tiempo, aún no se ha encontrado evidencia experimental de materia oscura, la investigación en esta dirección continúa.

Nota

Bibliografía

• Lawrence Krauss, El misterio de la masa perdida en el Universo , Milán, Raffaello Cortina Editore , 2000, ISBN 978-88-7078-652-1 .
• Jonathan Feng, Mark Trodden, El lado oscuro del universo ^{[ enlace roto ]} , en Le Scienze , n. 509, enero de 2011, págs. 34-41, ISSN 0036-8083.
• Richard Panek, 4% del universo. La historia del descubrimiento de la materia oscura y la energía oscura , 2012, Código de ediciones , ISBN 978-88-7578-309-9
• Lisa Randall , El universo invisible, de la desaparición de los dinosaurios a la materia oscura. Las impredecibles conexiones de nuestro mundo, 2015, Il Saggiatore, ISBN 978-88-428-2283-7 .

Artículos relacionados

• Energía oscura
• Experimento de búsqueda de materia oscura XENON

Otros proyectos

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• Wikimedia Commons contiene imágenes u otros archivos sobre materia oscura

enlaces externos

• ( EN ) Materia oscura , en Encyclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.
• En busca de materia oscura, camino informativo - ScienzaPerTutti , en Scienzapertutti.lnf.infn.it .

Experimentos de investigación de materia oscura:

• DAMA , sobre people.roma2.infn.it .
• WARP , en warp.lngs.infn.it. Obtenido el 1 de noviembre de 2015 (archivado desde el original el 12 de diciembre de 2010) .
• CDMS , en cdms.berkeley.edu .
• CRESST , en mppmu.mpg.de . Consultado el 3 de marzo de 2006 (archivado desde el original el 11 de febrero de 2006) .
• EDELWEISS , en edelweiss.in2p3.fr .
• XENON , en astro.columbia.edu . Consultado el 3 de marzo de 2006 (archivado desde el original el 30 de noviembre de 2005) .
• Proyecto UKDM , en hepwww.rl.ac.uk . Consultado el 3 de marzo de 2006 (archivado desde el original el 16 de abril de 2008) .
• AMS , en ams02.org . Consultado el 4 de abril de 2013 (archivado desde el original el 1 de septiembre de 2011) .
• PAMELA , en pamela.roma2.infn.it .

Noticias de materia oscura:

• La evidencia de la existencia de materia oscura , en corriere.it .
• Mapa tridimensional de materia oscura , en astrocultura.uai.it .
• Videoconferencia sobre materia oscura desde el sitio web del INAF , en server11.infn.it . Consultado el 3 de septiembre de 2008 (archivado desde el original el 7 de febrero de 2011) .

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