viernes, 27 de marzo de 2015

A oscuras

Recientemente han surgido un par de noticias sobre la detección de materia oscura. Por un lado, una polémica medición en las curvas de rotación de las estrellas en el interior de la Vía Láctea, y por otro, su caracterización en colisiones de cúmulos galácticos por parte del telescopio Hubble.

La materia oscura es un tipo de materia que no interacciona electromagnéticamente. Únicamente podemos detectarla indirectamente mediante su interacción gravitatoria. Aún no conocemos qué tipo de partícula o partículas pueden formarla, aunque sí que podemos deducir algunas de sus características.

La idea de la materia oscura surgió ya en 1933. Frtz Zwicky descubrió una gran discrepancia entre la masa y la luminosidad en el cúmulo de Coma. La masa se determinaba midiendo la velocidad de las estrellas (por el efecto Doppler) y aplicando el teorema del virial. Cuando comparó la relación entre luminosidad y masa del cúmulo con la de un objeto próximo, el sistema estelar Kapetyn, observó que le faltaba mucha masa: el cúmulo debía tener 100 veces más masa de la que se podía ver, y la diferencia se debería a un tipo de materia que no emitiría luz: la materia oscura.

Curvas de rotación

La materia oscura pasó sin pena ni gloria hasta los años 70. Entonces, la astrónoma Vera Rubin midió la velocidad de rotación de las estrellas en galaxias espirales, empezando por nuestra vecina Andrómeda. Las galaxias espirales tienen la máxima concentración de estrellas en su parte más interna, disminuyendo al alejarse del centro. Conociendo la distribución de estrellas y polvo interestelar, se puede determinar la velocidad de rotación de las estrellas en función de su distancia al centro, aplicando las leyes de Kepler. El resultado esperado era que la velocidad fuera decreciendo al alejarse del centro, tal y como ocurre en el sistema solar. Sin embargo, las medidas de Rubin en la galaxia de Andrómeda detectaron que las estrellas del exterior giraban a igual velocidad, o incluso mayor.
En un principio se pensó que podría deberse a alguna anomalía en la galaxia Andrómeda, pero Rubin analizó incansablemente muchas más galaxias espirales, y en todas ellas encontró esta discrepancia entre la teoría y las mediciones. La solución propuesta para Rubin fue, siguiendo la idea de Zwicky, proponer que las galaxias poseen un halo de materia oscura, de forma esférica, que posee la mayor parte de la masa de la galaxia.
Curvas de rotación teórica y observada para la galaxia M33 (Triángulo)
El mes pasado se publicó un artículo en el que se anunciaba la medición de las curvas de rotación en el interior de la Vía Láctea observando la influencia de la materia oscura. Ten en cuenta que en la parte central, la atracción gravitatoria debida a la materia visible es muy superior a la contribución de la materia oscura. Esta y otras críticas han aparecido en un artículo publicado ayer: This is a brief rebuke to arXiv:1502.03821, which falls in the category "not even wrong."

Cuando los cúmulos chocan

¿Qué hacemos los físicos cuando queremos estudiar las propiedades de algo que desconocemos? Exacto: hacerlo chocar. Lamentablemente no tenemos una fuente de materia oscura (ni siquiera sabemos qué es), pero eso no debe desanimarnos: en el Universo hay muchos objetos con materia oscura, y con un poco de suerte chocarán entre sí. El primer ejemplo de esto que se encontró fue el Cúmulo de la Bala (Bullet Cluster), formado por la colisión de dos cúmulos galácticos.
Esta imagen es la superposición de los resultados de dos telescopios distintos: en azul la densidad de materia total, medida a partir del efecto lente (deflexión de la luz por campos gravitatorios, depende únicamente de la masa) y en rosa la densidad de materia visible, medida por la emisión de rayos X del gas caliente. Se observa que la mayor parte de la masa del cúmulo no corresponde a materia visible, y que materia visible y oscura se distribuyen de manera distinta. La interpretación es que la materia visible, al chocar los dos cúmulos, sufre rozamiento debido a las interacciones bien conocidas y estudiadas. Por el contrario, la materia oscura no interaccionaría, ni con materia visible ni con otra materia oscura, y básicamente "pasa de largo" en la colisión.

Durante años, el Cúmulo de la Bala era casi el único ejemplo conocido de este fenómeno. Pero ayer se publicó un artículo que estudiaba, mediante los telescopios Hubble y Chandra, 30 colisiones más. Esto permite observar colisiones en diferentes etapas y con diferentes ángulos, por lo que los datos obtenidos son mucho más completos. La conclusión es que las interacciones materia oscura-materia oscura son incluso más débiles de lo que se pensaba hasta ahora.
En verde las galaxias, en rojo las nubes de gas, y en azul la materia oscura. Fuente

Hay más observaciones independientes que también apuntan hacia la existencia de materia oscura: las fluctuaciones de temperatura en el fondo cósmico de microondas, la formación de estructuras cósmicas, las oscilaciones acústicas de bariones... La teoría cosmológica imperante, el modelo \(\Lambda\)CDM la incorpora como componente imprescindible (más concretamente, es la parte de CDM) y restringe los valores de algunos de sus parámetros: sabemos que ninguna de las partículas conocidas pueden explicarla. Pero hay varios candidatos de partículas exóticas aún no observadas, y la investigación es bastante intensa.

Para saber más

Peter Fisher: Dark Matter. Annenberg Learner
Antonio Pérez Verde: La materia oscura, acorralada. Los Pilares de la Ciencia
Isabel Pérez Martín: Materia oscura, astrónoma brillante: Vera Rubin. Caos y Ciencia
Enrique F. Borja: Arrojando luz sobre la materia oscura. Cuentos Cuánticos