Materia Oscura


¿Qué es la materia oscura?
En principio, ni los físicos lo saben. La materia oscura es algo que “debería estar allí” para que los modelos cierren. Lo cierto es que cuando los astrónomos miran hacia el espacio, se encuentran con que este esta lleno de millones y millones de objetos celestes. Pero esos objetos estan separados por billones y billones de años luz de distancia, y sólo forman un 4 % de todo lo que existe en el Universo.
Es decir, todo lo que conocemos, la materia formada por atomos que vemos y estudiamos, y apenas entendemos, es una pequeña parte de lo que los físicos suponen que existe fuera del planeta. Para explicar el movimiento “rapido” de las galaxias observadas en los cúmulos estelares (un movimiento extraño) es necesaria la existencia de una variable que no estamos viendo porque no interactúa con la luz ni la radiación electromagnética: la materia oscura.

A pesar de que la existencia de la materia oscura fue inferida por muchas observaciones astronómicas, no se sabe mucho mas, ni siquiera su naturaleza, de qué puede estar hecha. Desde 1933, cuando la hipotética materia oscura fue postulada por primera vez, su naturaleza intentó explicarse de muchas formas, basandose en la observación de extraños objetos celestes comolos agujeros negros y las enanas marrones.

Actualmente, se cree que la materia oscura podría estar formada por una o mas partículas elementales que no serían ni los electrones, ni protones, neurones o neutrinos. Se habla de partículas hipotéticas, como los neutrinos estériles, los axiones, y, especialmente, los WIMPs, Weakly Interacting Massive Particles, partículas de masa que interactúan débilmente. Se especula que la materia oscura posee mucha mas masa en el Universo que la materia conocida por nosotros (de la que estamos hechos). Dentro de la hipótesis actual, el Universo estaría compuesto en un 4,6% de materia ordinaria, en un 23% de materia oscura, y en un 72% de energía oscura, otro tipo de masa totalmente desconocida e hipotética que según los físicos podría existir desde el Big Bang.

Primeras evidencias de materia oscura
    Desde los años treinta se sabe que las velocidades peculiares de las galaxias en cúmulos corresponden a una masa total del cúmulo de aproximadamente un orden de magnitud mayor que el total de toda la materia luminosa observada dentro de las propias galaxias. ¿Cómo se sabe esto Hay una maneras simple de hacer una estimación de la masa del cúmulo. La única fuerza apreciable entre las galaxias de un cúmulo es la gravedad. Cuanto mayor sea la masa de un cúmulo, las galaxias exteriores estaran sometidas a una mayor fuerzagraviatoria total y por tanto a una mayor aceleración, alcanzando mayores velocidades. Por tanto, la velocidad media de las galaxias de un cúmulo es una medida de su masa. Este mismo argumento nos permite calcular la masa utilizando medidas de las mayores velocidades que se observan en el cúmulo. Éstas no pueden ser mucho mayores que la velocidad de escape, o en caso contrario las galaxias se habrían alejado del cúmulo.
    Siempre por supuesto, una idea simple en astronomía suele estar acompañada de dificultades observacionales. En este caso, desde luego que no podemos observar las galaxias moviéndose realmente. Sólo podemos obtener una instantanea del cúmulo junto con una medida, a través del desplazamiento doppler, de las velocidades peculiares de cada galaxia. Pero podría pasar que las galaxias con velocidades mas elevadas estuvieran realmente escapando del cúmulo, o que no pertenezcan realmente a éste, o que simplemente sean galaxias de fondo atravesando la franja del cielo donde esta el cúmulo.
Evidencias aún mas rotundas
    También, desde los años sesenta se ha observado una situación similar en las partes exteriores de las galaxias espirales y al menos en algunas elípticas. Si imaginamos una galaxia a modo de Sistema Solar, con las estrellas girando en órbitas cerradas alrededor del centro donde se concentra una gran cantidad de masa, cabría esperarentonces que las velocidad de las estrellas disminuyeran a medida que nos alejamos del centro siguiendo una ley kepleriana del tipo del inverso de la raíz cuadrada de la distancia. La representación de la velocidad de rotación frente a la distancia se denomina curva de rotación. 
Sin embargo, las observaciones indican otra cosa. La velocidad parece mantenerse practicamente constante hasta el límite observacional externo de la galaxia, como podemos observar en el ejemplo de la curva de rotación de la derecha correspondiente a la galaxia NGC3198 (fuente: Berkeley). Sólo existen dos posibles explicaciones a este fenómeno
1. Existe una cantidad de materia distribuida de manera diferente a la materia visible
2. Bien las leyes dinamicas o bien la teoría gravitatoria que aplicamos a esas escalas no son correctas.
    Aunque existe al menos una teoría dinamica alternativa (MOND) y alguna teoría gravitatoria alternativa (Gravedad Conforme por ejemplo), éstas tienen algunos problemas y de momento nadie ha encontrado ninguna desviación de las predicciones de la Teoría General de la Relatividad.

Avances científicos:
· En febrero de 2010, científicos de la Universidad de Syracuse, Estados Unidos creyeron haber dado con las partículas que se piensa que componen la invisible materia oscura, sin embargo, la falta de evidencias de los resultados provocó precaución yescepticismo. 

·Se anunció que el proyecto científico de la Búsqueda Criogénica de Materia Oscura II (CDMSII) buscara la materia oscura a profundidades aún mayores debajo de la Tierra, donde los rayos cósmicos afectan en menor medida los experimentos.

·Lanzamiento del Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02) en noviembre del 2010, un módulo que se montara en la Estación Espacial Internacional (ISS) con el fin de encontrar a través del analisis de los rayos cósmicos distintos tipos de materia inusual, entre ellos la materia oscura. 

·La puesta en funcionamiento del verdadero potencial del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) esta permitiendo el desarrollo de experimentos capaces de encontrar las hipotéticas partículas supersimétricas, una de las claves para entender la naturaleza de la materia oscura según el Modelo Estandar de la física moderna. 

¿Existe la materia oscura?
Unos pocos científicos propusieron que quizas lo que esté mal sean nuestros modelos gravitatorios aplicados a estos objetos. Las leyes de la gravedad conocidas funcionarían bien aquí en la Tierra, y en el sistema solar, que es donde las hemos comprobado experimentalmente de manera precisa y exhaustiva, pero quizas habría introducir modificaciones para poder aplicarlas a las galaxias y a los cúmulos de galaxias (y por ende al Universo en su conjunto). De este modo, tanto la Teoría Newtonianacomo la Relatividad General de la Gravedad sería sólo aproximaciones, como de hecho son todos los modelos físicos.
Obviamente la idea ganó muchos detractores en un principio, pero ha ganado algunos adeptos con el tiempo. Las primeras versiones de las teorías de gravedad modificadas o MOG funcionaban mas o menos bien a escalas cósmicas, pero fallaban cuando se aplicaban en otros ambitos.
Un equipo liderado por Douglas Clowe, del Steward Observatory en Tucson (Arizona, EEUU) reportó en Science el año pasado que se podía explicar el comportamiento del cúmulo Bullet o E 0657-56 como una prueba sólida de la existencia de materia oscura. Este cúmulo consiste en dos grupos masivos colisionantes de galaxias situados a 3000 millones de años luz de nosotros, en la región del cielo correspondiente a la constelación Carina del Hemisferio Sur. Sus galaxias sentirían el tirón gravitatorio de un gas ultracaliente (observado con el telescopio Chandra) y separado del conjunto por la colisión. El efecto de lente gravitatorio medido se correspondería con la existencia de materia oscura en el sistema.
Sin embargo John Moffat del Perimeter Institute for Theoretical Physics en Waterloo (Canada) y sus colaboradores publican ahora un artículo (21 de noviembre en las notas mensuales de la Royal Astronomical Society) en el cual explica el comportamiento de este cúmulo usando unateoría MOG. El efecto de lente gravitatorio observado se explicaría con una MOG sin necesidad de materia oscura.
Según la Relatividad General la gravedad sería un efecto de la curvatura del espacio-tiempo inducida por la presencia de masa-energía. Moffat añade unos términos adicionales a estas ecuaciones que provocarían cambios sutiles en el comportamiento gravitatorio de los objetos. El efecto de estos términos sería equivalente a usar la Teoría de Relatividad General original introduciendo materia oscura. O lo que es lo mismo, la gravedad real sería mas intensa que lo predicho por la Teoría de Relatividad General a esas escalas y sería mejor descrita por la teoría MOG.
Los autores han aplicado su teoría a mas de 100 galaxias individuales y a mas de cien cúmulos y en todos los casos la MOG ha predicho bien sus movimientos sin la necesidad de agregar materia oscura. También la han aplicado a la misteriosa desaceleración de las sondas Pioner 10 y 11, que lanzadas a comienzos de los setenta, abandonan ahora el sistema solar.
Moffat afirma que si los experimentos en marcha para detectar directamente partículas de materia oscura tienen éxito entonces estara contento de que la gravedad newtoniana y einsteina se salven, pero que si no es así habra que modificar estas teorías debido a la cantidad de datos abrumadores que se tienen de las observaciones astronómicas.