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Materia Oscura

National Aeronautics and Space Administration
NASA Headquarters
Washington, D.C.
Noviembre 1994

Todos los objetos celestes visibles conocidos hoy en día, dan cuenta de sólo el 10% de la masa en el universo. El resto es "masa faltante", también conocida como "materia oscura", y presuntamente es invisible porque no emite o refleja luz visible, u otras formas de radiación electromagnética. O quizás su luz es tan débil que los actuales instrumentos astronómicos no son capaces de detectarla.
Sin embargo, la materia oscura puede ser detectada indirectamente debido a su influencia gravitatoria sobre otros objetos cercanos visibles.

La presencia de materia oscura fue descubierta inicialmente en 1932 por el astrónomo Jan Oort, quien midió los movimientos perpendiculares de las estrellas cercanas relativos al disco de nuestra Vía Láctea. Él estudió la influencia gravitatoria del disco de la galaxia sobre estas estrellas, y así, pudo medir la masa del disco (tal como la masa de la Tierra puede ser calculada a partir de la aceleración de un objeto que cae). Para su sorpresa, esta masa calculada era el doble de la cantidad de masa visible como estrellas y nebulosas. Un año después, Fritz Zwicky examinó la dinámica de los cúmulos de galaxias, y llegó también a la sorprendente conclusión de que las galaxias observadas sólo daban cuenta del 10% de la masa requerida para ligar gravitacionalmente a las galaxias del cúmulo.

Un método ampliamente utilizado para deducir la cantidad de masa faltante, involucra el medir la velocidad de rotación de una galaxia espiral. Observaciones espectroscópicas y de radio han obtenido las velocidades de rotación de cientos de galaxias espirales. Estos experimentos han revelado que, en la mayoría de los casos, la masa de una galaxia continúa incrementándose hacia el borde de su disco visible de estrellas. Esto implica que las galaxias espirales están rodeadas en halos de materia que no podemos ver. Observaciones de galaxias elípticas, grupos y cúmulos de galaxias, también indican la presencia de materia oscura interactuando gravitacionalmente con los objetos visibles.

La naturaleza de la materia oscura, y su abundancia, están entre las cuestiones más importantes en la cosmología moderna, hoy en día.
De qué esta hecha?
Algunos astrónomos piensan que la materia oscura está compuesta de protones y neutrones, llamada materia bariónica o simplemente "normal". Candidatos de materia bariónica incluyen planetas extrasolares, remanentes de la evolución estelar, tales como cometas, objetos no lo suficientemente masivos como para encender la fusión de hidrógeno, llamados enanas marrones, agonizantes rescoldos de estrellas, tales como enanas blancas frías, y estrellas de neutrones, así como también los gases interestelares e intergalácticos.

Materia no-bariónica, por otro lado, podrían ser partículas elementales que no interactúan fuertemente con la materia normal. A excepción de los neutrinos, muchas de tales partículas elementales están aún en el área de la teoría, y no han sido detectadas.

Puesto que toda la materia visible es sólo una pequeña fracción de la masa total en el universo, la cantidad de materia oscura que está presente determinará el futuro evolutivo del universo. Si no hay suficiente materia oscura como para ligar gravitatoriamente al universo, este podría continuar expandiéndose para siempre. Si hay suficiente masa en el universo como para ligarlo gravitatoriamente, el universo podría frenar su expansión, detenerla, y comenzar a contraerse, y eventualmente colapsar.

La temperatura de la materia oscura en el universo primitivo también pudo haber determinado la primitiva evolución del universo. No mucho después del Big Bang, y antes de la formación de las galaxias, la materia comenzó a agregarse bajo la influencia de la gravedad. La materia oscura pudo haber provisto las "semillas", un ambiente grumoso en el que la materia ordinaria pudiese congregarse para formar galaxias y estrellas. Si esta "materia oscura fría" estuvo presente, en donde las partículas tenían un movimiento aleatorio insignificante, la formación de galaxias comenzaría a pequeña escala. La materia se agregaría en tamaños comparables a los de las actuales galaxias, o menores, y eventualmente crecerían para convertirse en cúmulos y supercúmulos debido a la atracción gravitatoria entre las galaxias.

Pero, si estaba presente "materia oscura caliente", esta borraría las pequeñas "semillas" del tamaño de galaxias formadas inicialmente. En su lugar, se crean enormes estructuras gaseosas parecidas a tortillas, tan grandes como supercúmulos, que subsecuentemente se condensan en galaxias individuales.

Para más información, e imágenes, enlace con Dark Matter
(HubbleSite - NewsCenter - Background, October 17, 1994).

NASA Encuentra Prueba Directa de Materia Oscura

Erica Hupp, Headquarters, Washington.
Steve Roy, Marshall Space Flight Center, Huntsville, Ala.
Megan Watzke, Chandra X-ray Center, Cambridge, Mass.

News release 06-096 (Agosto 8 '06)

La materia oscura [en azul] y la normal [en rojo] han sido separadas por la tremenda colisión de dos grandes cúmulos de galaxias. El descubrimiento, usando el Chandra X-ray Observatory de NASA y otros telescopios, produce evidencia directa de la existencia de materia oscura.

"Este es el más energético evento cósmico, aparte del Big Bang, del que sabemos", dijo el miembro del equipo Maxim Markevitch del Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics en Cambridge, Mass.

Estas observaciones proveen la más fuerte evidencia hasta ahora de que la mayor parte de la materia en el universo es oscura. Pese a la considerable evidencia sobre materia oscura, algunos científicos han propuesto teorías alternas para la gravedad donde es más fuerte, en las escalas intergalácticas, que las predichas por Newton y Einstein, eliminando la necesidad de materia oscura. Sin embargo, tales teorías no pueden explicar los efectos observados en esta colisión.

"Un universo que está dominado por material oscuro parece absurdo, y queríamos saber si había algún defecto básico en nuestro parecer", dijo Doug Clowe de la Universidad de Arizona en Tucson, y líder del estudio. "Estos resultados son prueba directa de que la materia oscura existe".

En los cúmulos de galaxias, la materia normal, como los átomos que hacen las estrellas, planetas, y todo en la Tierra, está primariamente en la forma de gas caliente y estrellas. La masa de gas caliente entre las galaxias es mucho mayor que la masa de las estrellas en todas las galaxias. Esta materia normal está atada en el cúmulo por la gravedad de una masa aún mayor de materia oscura. Sin materia oscura, que es invisible y sólo puede ser detectada a través de su gravedad, las veloces galaxias y el gas caliente se separarían rápidamente.

El equipo obtuvo más de 100 horas del Telescopio Chandra para observar el cúmulo galáctico 1E0657-56. Este cúmulo también es conocido como el cúmulo bala, "bullet cluster", porque contiene una espectacular nube en forma de bala de gas a un centenar de millones de grados. La imagen en rayos-X muestra que la forma de bala se debe al viento producido por la colisión a alta velocidad de una galaxia más pequeña con una más grande.

Además de la observación del Chandra, el Telescopio Espacial Hubble, el Very Large Telescope del European Southern Observatory y los telescopios ópticos Magellan fueron usados para determinar la localización de la masa en los cúmulos. Esto se hizo midiendo el efecto de lente gravitacional, cuando la gravedad de los cúmulos distorsiona la luz de las galaxias del fondo como predice la teoría de la relatividad general de Einstein.

El gas caliente en esta colisión fue frenado por una fuerza de roce, similar a la resistencia del aire. En contraste, la materia oscura no fue frenada por el impacto, porque no interactúa directamente consigo misma o con el gas salvo a través de la gravedad. Esto produjo la separación de la materia oscura y la normal vista en los datos. Si el gas caliente fuera el componente más masivo en los cúmulos, como proponen las teorías alternativas de la gravedad, tal separación no habría sido vista. En cambio, se requiere materia oscura.

"Este es el tipo de resultado que las teorías futuras tendrán que tomar en cuenta", dijo Sean Carrol, un cosmólogo en la Universidad de Chicago, que no estaba involucrado con el estudio. "Al avanzar hacia el entendimiento de la verdadera naturaleza de la materia oscura, este nuevo resultado será imposible de ignorar".

Este resultado también da a los científicos más confianza en que la gravedad Newtoniana familiar en la Tierra y en el Sistema Solar también funciona en las gigantescas escalas de los cúmulos de galaxias.

"Hemos cerrado este resquicio sobre la gravedad, y hemos llegado más cerca que nunca a ver esta materia invisible", dijo Clowe.

Estos resultados están siendo publicados en un número venidero de "The Astrophysical Journal Letters".

El Marshall Space Flight Center de NASA, en Huntsville, Ala., gerencia el programa Chandra. El Smithsonian Astrophysical Observatory controla las operaciones de ciencia y vuelos desde el Chandra X-ray Center, Cambridge, Mass.

Para más información, imágenes, y video, enlace con NASA Finds Direct Proof of Dark Matter (en el Website de NASA). Y 1E 0657-56: NASA Finds Direct Proof of Dark Matter (en el Website del The Chandra X-ray Observatory Center).

Ver también: El Hubble Encuentra Anillo de Materia Oscura (Observatorio ARVAL, 06-06-2007)

Actualizada: Junio 6 '07

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