Materia oscura
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En cosmología se denomina materia oscura a partículas hipotéticas de un tipo de materia, de composición desconocida, que no interactúa con la materia normal y que no emite radiación detectable. La materia oscura no es visible en ninguna parte del espectro electromagnético con los medios técnicos actuales pero su existencia puede inferirse a partir de los efectos gravitacionales que causan en la materia visible tales como las estrellas o las galaxias, así como en las anisotropías del fondo cósmico de microondas. No se debe confundir la materia oscura con la energía oscura.
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[editar] Problema 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. Se cree que la mayoría de la masa del Universo existe en esta forma. 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. Se sabe que el Universo está expandiéndose, por el corrimiento al rojo que presenta la luz de los cuerpos celestes distantes. 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 enlentecerse, detenerse o, incluso, invertirse (lo que produciría el fenómeno conocido como Big Crunch). La importancia de la materia oscura para el destino final del Universo, sin embargo, 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. Según las mediciones realizadas en el 2003 y en 2006 por el satélite WMAP, la expansión del Universo se está acelerando, y se seguirá acelerando debido a la existencia de la energía oscura, aunque sin causar un Big Rip.
[editar] Evidencia de su existencia
Las evidencias de la existencia de la materia oscura son de tres tipos:
* Interacción gravitatoria: las estrellas y el material interestelar de las galaxias no se mueven alrededor de su centro como cabría esperar según la masa de estos componentes, luego debe existir algún otro tipo de masa que justifique estos movimientos.
* Nucleosíntesis primordial: durante el Big Bang sólo se formaron los elementos más ligeros. El estudio de la proporción de dichos elementos pone un límite a la cantidad de materia "normal" (o bariónica) que el Universo puede contener y por lo tanto, pone un límite a la cantidad de materia oscura que puede existir.
* Estudio del Fondo cósmico de microondas(CMB): las anisotropías del CMB permiten estudiar con un grado enorme de precisión la proporción de materia oscura, materia bariónica y energía oscura que existe en nuestro Universo. Los datos del satélite WMAP publicados en 2006 son consistentes con un Universo donde la materia bariónica sería el 4% de la masa total y la materia oscura el 22%.
Gran parte de la evidencia de la existencia de la materia oscura viene del estudio de los grupos galácticos. Muchos de estos parecen estar aproximadamente estáticos y uniformes. Por el teorema del virial, la energía cinética total debería ser la mitad de la gravitatoria ejercida entre sí por las galaxias. En cambio, de forma experimental se ha visto que es mucho mayor (alrededor de un orden de magnitud). Asumir que la materia visible es sólo una pequeña parte de toda la materia que forma el grupo galáctico es la manera más sencilla de resolver el problema planteado por estas observaciones.
Mediante la teoría gravitacional y nuevos análisis de computadora, los astrónomos han sido capaces de determinar dónde está situada la materia oscura. El resultado es que parece estar agrupada de la misma forma que las galaxias, que estarían compuestas, en parte, de materia oscura. Por ejemplo, la forma de rotar y la misma existencia del disco de la Vía Láctea indica la presencia de un extendido halo de materia oscura.
Saber dónde está situada la materia oscura, también revela cuánta existe. Se calcula que sería alrededor de siete veces la cantidad de materia ordinaria (esto es sólo un cuarto de lo necesario para enlentecer la expansión del universo a la mitad).
[editar] Composición de la materia oscura
Puesto que no puede ser detectada por medios ópticos, la composición de la materia oscura pertenece al terreno de la especulación. Objetos de masa enorme, como agujeros negros del tamaño de galaxias, pueden ser descartados en función de los datos observados. Se contempla la posibilidad de que sean objetos de materia bariónica que incluiría enanas marrones o, quizás, pequeños y densos pedazos formados por elementos pesados; tales objetos son conocidos como "MACHOs", del inglés "massive compact halo objects", o, en castellano OHCM (Objetos del Halo(Galáctico) Compactos y Masivos).
En cualquier caso, la posible cantidad de materia bariónica está restringida por la nucleosíntesis primordial.
En el momento presente la visión más extendida es que la materia oscura no está formada por partículas elementales normales, electrones, protones y neutrones, sino por otras partículas tales como neutrinos, los hipotéticos axiones o los "WIMPs", del inglés "weakly interacting massive particle". Los neutrinos están casi totalmente descartados pues se comportarían como materia oscura caliente.
[editar] Descubrimiento de la materia oscura
La hipótesis de la existencia de la materia oscura fue planteada por primera vez por el astrofísico suizo Fritz Zwicky. En 1933 Zwicky estimó la masa de galaxias en cúmulos (basándose en el número de estrellas y su brillo) y midió las velocidades a las cuales las galaxias se movían. La masa calculada considerando las velocidades de las galaxias era muy superior a la estimada considerando sólo las estrellas. Esto es lo que se conoce como el "problema de la masa perdida". Basándose en estas conclusiones, Zwicky propuso que debía haber alguna otra forma de materia existente en la galaxia que no había sido detectada, la cual proveería suficiente masa y gravedad para mantener la galaxia unida.
A partir de ese momento comenzó la búsqueda por la fuente de esa atracción gravitatoria. En el momento presente, la densidad del Universo (excluyendo la materia oscura) está estimada en alrededor de un átomo de hidrógeno por metro cúbico de espacio vacío. Esto no es densidad suficiente para que el universo se colapse sobre sí mismo. Se cree que la materia oscura forma el 90-95 por ciento de toda la materia en el Universo. Esto significa que sólo el 5-10 por ciento de toda la materia es observable.
La mayoría de cosmólogos (astrónomos que estudian la historia, origen y futuro del Universo) creen que hay dos clases de materia oscura: la bariónica ("materia normal" compuesta por bariones: protones, neutrones o electrones) llamada MACHOs (del inglés Massive Astrophysical Compact Halo Objects) y una misteriosa forma de materia compuesta por unas desconocidas partículas subatómicas no-bariónicas llamadas WIMPs (del inglés Weakly Interacting Massive Particles) además de neutrinos y axiones.
[editar] Explicaciones alternativas
Una explicación alternativa a las incógnitas planteadas por la materia oscura es suponer que, a grandes distancias, las fuerzas gravitacionales son más fuertes de lo que nos indicarían la mecánica newtoniana. Por ejemplo, esto podría ocurrir si asume un valor negativo a la constante cosmológica (el valor de la cual se cree positivo en función de recientes observaciones) o si se asume la teoría de la Dinámica newtoniana modificada (MOND) y la teoría de la Expansión cosmica en escala (SEC).
Otra aproximación, propuesta por Arrigo Finzi en 1963 y por Robert Sanders en 1984, es reemplazar el potencial gravitacional por la siguiente expresión:
donde B y ρ son parámetros ajustables.
En cualquier caso, tales aproximaciones tienen dificultades explicando la diferencia en el comportamiento de las distintas galaxias y clústeres, en cambio, tales discordancias pueden ser fácilmente comprendidas asumiendo diferentes cantidades de materia oscura.
Las observaciones sobre la rotación de las galaxias indican que alrededor del 90% de la masa de una galaxia no es visible y sólo puede ser detectada por sus efectos gravitacionales.
Alexander Mayer acaba de anunciar una hipótesis basada en las inconsistencias observadas en la sincronización del sistema GPS y otras anomalías. En dicha hipótesis el aumento del corrimiento hacia el rojo observado en galaxias lejanas y el aparente exceso de masa del universo que hace necesario dicha materia oscura no son más que errores de medida fruto de una incorrecta formulación de la Teoría de la Relatividad General.
Según la nueva formulación de Alexander Mayer el universo no precisa de la existencia ni de energía ni de materia oscura.
El problema principal con estas explicaciones alternativas es que no explican las anisotropías del fondo cósmico de microondas, que por otro lado, sí predicen la existencia de materia oscura no bariónica.
[editar] Hipótesis sobre tipos de materia oscura
Se ha postulado la existencia de varios tipos de materia oscura:
