Materia oscura

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Para la trilogía de novelas
fantásticas de Philip Pullman, véase La materia
oscura.

Imagen compuesta del cúmulo de
galaxias CL0024+17
tomada por el telescopio
espacial Hubble muestra la creación de un efecto de lente gravitacional
producto, en gran parte, de la interacción gravitatoria con la materia
oscura.

En astrofísica y cosmología
física se denomina materia oscura a la materia hipotética de
composición desconocida que no emite o refleja suficiente radiación
electromagnética para ser observada directamente con los medios técnicos
actuales pero cuya existencia puede inferirse a partir de los efectos
gravitacionales que causa 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. De
acuerdo con las observaciones actuales de estructuras mayores que una galaxia, así como
la cosmología del Big Bang, la
materia oscura constituye la gran mayoría de la masa en el Universo observable.
Fritz
Zwicky la utilizó por primera vez para declarar el fenómeno observado
consistente con las observaciones de materia oscura como la velocidad rotacional
de las galaxias y las velocidades orbitales de las galaxias en los cúmulos, las
lentes
gravitacionales de objetos de fondo por los cúmulos de galáxias así como el
Cúmulo
Bala (1E 0657-56) y la distribución de temperatura de gas caliente en
galaxias y cúmulos de galaxias. La materia oscura también juega un papel central
en la formación de
estructuras y la evolución
de galaxias y tiene efectos medibles en la anisotropía de la radiación
de fondo de microondas. Todas estas líneas de pruebas sugieren que las
galaxias, los cúmulos de galaxias y el Universo como un todo contienen mucha más
materia que la que interactúa con la radiación electromagnética: lo restante es
llamado "el componente de materia oscura".

La composición de la materia oscura se desconoce, pero puede incluir neutrinos
ordinarios y pesados, partículas elementales recientemente postuladas como los
WIMPs y los axiones, cuerpos
astronómicos como las estrellas enanas y los planetas
(colectivamente llamados MACHOs) y las nubes de gases no
luminosos. Las pruebas actuales favorecen los modelos en que el componente
primario de la materia oscura son las nuevas partículas elementales llamadas
colectivamente materia oscura no bariónica.

El componente de materia oscura tiene bastante más masa que el componente
"visible" del Universo.[1]
En el presente, la densidad de bariones ordinarios y la
radiación en el Universo se estima que son equivalentes aproximadamente a un
átomo de hidrógeno por metro cúbico de espacio. Sólo aproximadamente el 5% de la
densidad de energía total en el Universo (inferido de los efectos
gravitacionales) se puede observar directamente. Se piensa que en torno al 23%
está compuesto de materia oscura. El 72% restante se piensa que consiste de energía oscura, un
componente incluso más extraño, distribuido difusamente en el espacio.[2]
Alguna materia bariónica difícil de detectar realiza una contribución a la
materia oscura, aunque algunos autores defienden que constituye sólo una pequeña
porción.[3]
[4]
Aun así, hay que tener en cuenta que del 5% de materia bariónica
estimada, la mitad de ella todavía no se ha encontrado, por lo que se puede
considerar materia oscura
bariónica: Todas las estrellas, galaxias y gas observable forman menos de la
mitad de los bariones que se supone debería haber y se cree que toda esta
materia puede estar distribuida en filamentos gaseosos de baja densidad formando
una red por todo el universo y en cuyos nodos se encuentran los diversos cúmulos
de galaxias. Recientemente (mayo 2008) el telescopio XMM-Newton de la agencia
espacial europea ha encontrado pruebas de la existencia de dicha red de
filamentos.[5]

La determinación de la naturaleza de esta masa ausente es uno de los
problemas más importantes de la cosmología moderna y la física de
partículas. Se ha puesto de manifiesto que los nombres "materia oscura" y la
"energía oscura" sirven principalmente como expresiones de nuestra ignorancia,
casi como los primeros mapas etiquetados como "Terra incognita".[2]

Contenido

1 Pruebas
observacionales

1.1 Curvas de rotación
galáctica

1.2 Velocidad de dispersión
de galaxias

1.3 Materia perdida en
cúmulos de galaxias

1.4 Formación de
estructuras

2 Composición de la materia
oscura

3 Problema de la materia
oscura

4 Explicaciones
alternativas

4.1 Modificaciones de la
gravedad

4.2 Explicaciones de
mecánica cuántica

5 Materia oscura en la
cultura popular

6 Referencias

7 Enlaces externos

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Pruebas
observacionales

La primera persona en proporcionar pruebas e inferir la existencia del
fenómeno que se ha llamado "materia oscura" fue el astrofísico suizo Fritz
Zwicky, del Instituto
Tecnológico de California (Caltech) en 1933.[6]

Aplicó el teorema de virial al
cúmulo de galaxias Coma y obtuvo pruebas de masas no visibles. Zwicky estimó la
masa total del cúmulo basada en los movimientos de las galaxias cerca de su
borde. Cuando comparó esta masa estimada con una basada en el número de galaxias
y con el brillo total del cúmulo, encontró que había unas 400 veces más masa de
la esperada. La gravedad de las galaxias visibles en el cúmulo estaría lejos de
ser demasiado pequeña para tal velocidad de órbita, con lo que se necesita algo
adicional. Esto es conocido como el "problema de la masa desaparecida".
Basándose en estas conclusiones, Zwicky infirió que tendría que haber alguna
forma de materia no visible que proporcionaría suficiente masa y gravedad para
soportar el cúmulo conjuntamente.

Muchas de las pruebas de la materia oscura vienen del estudio de los
movimientos de las galaxias. Muchas de estas
parecen ser bastante uniformes, con lo que el teorema de virial de la energía cinética
total debería ser la mitad del total de la energía gravitacional de enlace de
las galaxias. Experimentalmente, sin embargo, se ha hallado que la energía
cinética total es mucho mayor: en particular, asumiendo que la masa gravitacional es
debida sólo a la materia visible de la galaxia, las estrellas alejadas del
centro de las galaxias tienen velocidades mucho mayores que las predichas por el
teorema de virial. La curva
de rotación galáctica que ilustra la velocidad de rotación frente a la
distancia del centro de la galaxia, no se puede explicar sólo mediante la
materia visible. Asumiendo que la materia visible forma sólo una pequeña parte
del cúmulo es la manera más sencilla de tener en cuenta esto. Las galaxias
muestran signos de estar compuestas principalmente de un halo de materia oscura
concentrado centralmente con una simetría casi esférica con la materia visible
concentrada en un disco en el centro. Las galaxias de brillo débil superficial
son fuentes importantes de información para el estudio de la materia oscura, ya
que tienen una baja relación de materia visible frente a materia oscura y tienen
unas cuantas estrellas brillantes en el centro que daña las observaciones de la
curva de rotación de estrellas periféricas.

De acuerdo con los resultados publicados en agosto de 2006, la materia oscura
se ha observado por separado de la materia ordinaria[7]
[8]
a través de medidas del Cúmulo Bala, realmente dos cúmulos de galaxias cercanos
que colisionaron hace unos 150 millones de años.[9]
Los investigadores analizaron los efectos de las lentes gravitacionales para
determinar la masa total de la distribución en la pareja y compararon con los
mapas de rayos X de gases calientes, que se pensaban que constituían la gran
mayoría de la materia ordinaria en los cúmulos. Los gases calientes
interactuaron durante la colisión y permanecieron cerca del centro. Las galaxias
individuales y la materia oscura no interactuaron y están más alejadas del
centro.

El Dr. Myungkook
James Jee y sus colegas anunciaron el 15 de mayo de 2007 el descubrimiento de un anillo
pequeño de materia oscura de 2,6 millones de años luz de ancho que envuelve al
CL0024+17,
un gran cúmulo de galaxias a unos 5.000 millones de años luz.[10]
La observación de su materia oscura estaba en el camino de su efecto de lente gravitacional
en la luz que venía desde detrás del cúmulo como si fue vista por la ahora rota
Cámara
avanzada para sondeos (ACS) del Telescopio Espacial Hubble. Richard
Massey del Caltech, editor de un mapa de
materia oscura con medio millón de Galaxias, dice que este anuncio sólo viene de
un instrumento y que "la señal es muy débil. Algunas personas aún creen que no
es más que un truco". Los estudios que lo confirmen tendrán que esperar hasta
que el James Webb Space
Telescope sea lanzado en 2013 a menos que la ACS del Hubble se repare por
una misión espacial.

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Curvas de
rotación galáctica

Curva de rotación de una galaxia espiral típica: predicho
(A) y observado (B). La materia oscura explicaría la apariencia
plana de la curva de rotación a radios grandes.

Durante casi 40 años después de las observaciones iniciales de Zwicky,
ninguna otra observación corroborando las observaciones indicó que la relación
masa-luz era distinta de la unidad (una alta relación masa-luz indica la
presencia de la materia oscura). Entonces, a finales de los años 1960 y 1970, Vera
Rubin, una joven astrónoma en el Departamento de Magnetismo Terrestre del
Carnegie Institution of Washington presentó hallazgos basados en un nuevo
espectrógrafo muy
sensible que podía medir la curva de velocidad de galaxias espirales con
un grado de precisión mayor que cualquier otro conseguido anteriormente. Junto
con su compañero de staff Kent
Ford, Rubin anunció en un encuentro en 1975 de la American
Astronomical Society el asombroso descubrimiento de que muchas estrellas en
distintas órbitas de galaxias espirales giraban a casi la misma velocidad angular, que
implicaba que sus densidades eran muy uniformes más allá de la localización de
muchas de las estrellas (el bulbo galáctico). Este
resultado sugiere que incluso la gravedad newtoniana no se
aplica universalmente o que, conservativamente, más del 50% de la masa de las
galaxias estaba contenida en el relativamente oscuro halo galáctico. Este
descubrimiento fue inicialmente tomado con escepticismo pero Rubin insistió en
que las observaciones eran correctas. Finalmente, otros astrónomos empezaron a
corroborar su trabajo y pronto se logró determinar muy bien el hecho de que
muchas galaxias estuvieran dominadas por "materia oscura", las excepciones
parecían ser las galaxias con relaciones masa-luz cercanas a las de las
estrellas. Consecuencia de esto, numerosas observaciones han indicado la
presencia de materia oscura en varias partes del cosmos. Junto con los hallazgos
de Rubin para las galaxias espirales y el trabajo de Zwicky sobre los cúmulos de
galaxias, las pruebas observacionales para la materia oscura se han estado
recolectando durante décadas hasta el punto de que hoy muchos astrofísicos
aceptan su existencia. Como un concepto unificador, la materia oscura es una de
las características dominantes consideradas en el análisis de estructuras en el
orden de la escala galáctica y mayores.

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Velocidad de
dispersión de galaxias

El trabajo pionero de Rubin ha sobrevivido a la prueba del tiempo. Las
medidas de las curvas de velocidad en galaxias en espiral pronto continuaron con
velocidades de dispersión de galaxias
elípticas. Mientras algunas veces aparece con menores relaciones masa-luz,
las medidas de elípticas siguen indicando un relativamente alto contenido en
materia oscura. Así mismo, las medidas de los medios interestelares
difusos encontrados en el borde de las galaxias indican no sólo las
distribuciones de materia oscura que se extienden más allá del límite visible de
las galaxias, sino también de que las galaxias son virializadas por encima de
diez veces su radio visible. Esto tiene el efecto de flexión de la materia como
una fracción de la suma total de materia de gravitación a partir del 50% medido
por Rubin hasta la actualmente afectada de casi el 95%.

Hay lugares donde la materia oscura parece ser un pequeño componente o estar
totalmente ausente. Los cúmulos globulares no
muestran ninguna evidencia de que contienen materia oscura, aunque sus
interacciones orbitales con las galaxias muestran pruebas para la materia oscura
galáctica. Durante algún tiempo, las medidas del perfil de velocidad de
estrellas parecía indicar la concentración de la materia oscura en el disco
galáctico de la Vía Láctea, sin
embargo, ahora parece que la alta concentración de la materia bariónica en el
disco de la galaxia (especialmente en el medio interestelar) puede contar para
este movimiento. los perfiles de las masas de las galaxias se piensa que parecen
muy diferentes de los perfiles de la luz. El modelo típico para las galaxias de
materia oscura es una distribución lisa y esférica en halos virializados. Ese
tendría que ser el caso para evitar los efectos dinámicos a pequeña escala
(estelar). Las recientes investigaciones reportadas en Enero de 2006 desde la Universidad
de Massachusetts, Amherst explicaría la previamente misteriosa comba en el
disco de la Vía Láctea por la interacción de la Grande y la Pequeña Nube de
Magallanes y la predicha de un incremento de 20 veces la masa de la Vía
Láctea teniendo en cuenta la materia oscura.

Recientemente (2005), los astrónomos de la Universidad de
Cardiff dicen que han descubierto una galaxia compuesta casi
enteramente de materia oscura, a 50 millones de años luz del Cúmulo de Virgo, que
fue nombrada VIRGOHI21.[11]
Inusualmente, VIRGOHI21 no parece contener ninguna estrella visible: fue vista
con observaciones de radio-frecuencia de hidrógeno. Basada en los perfiles de
rotación, los científicos estiman que este objeto contiene aproximadamente 1000
veces más energía oscura que el hidrógeno y tiene una masa total de un décimo de
la Vía Láctea en la que
vivimos. Por comparación, la Vía Láctea se cree que tiene unas 10 veces tanta
materia oscura que materia ordinaria. Los modelos del Big Bang y de
la Estructura
a gran escala del Universo han sugerido que tales galaxias oscuras deberían
ser muy comunes en el Universo, pero ninguna ha sido detectada previamente. Si
la existencia de esta galaxia oscura es confirmada, proporcionará una gran
prueba para la teoría de la formación de galaxias y plantea problemas para
explicaciones alternativas a la materia oscura.

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Materia
perdida en cúmulos de galaxias

Efecto de las lentes gravitacionales fuertes observado por el
Telescopio
espacial Hubble en Abell 1689 que indica la
presencia de materia oscura. Agrandar la imagen para ver los arcos producidos
por las lentes gravitacionales. Créditos: NASA/ESA

La materia oscura también afecta a agrupaciones
galácticas. Las medidas de Rayos X del caliente gas intracumular
se corresponden íntimamente a las observaciones de Zwicky de las relaciones
masa-luz para grandes cúmulos de casi 10 a 1. Muchos de los experimentos del Observatorio
de rayos X Chandra utilizan esta técnica para determinar independientemente
la masa de los cúmulos.

El cúmulo de galaxias Abell 2029 está compuesto de
miles de galaxias envueltas en una nube de gas caliente y una cantidad de
materia oscura equivalente a más de 1014 Soles. En el centro de este
cúmulo hay una enorme galaxia con forma elíptica que se piensa que ha sido
formada a partir de la unión de muchas galaxias más pequeñas.[12]
Las velocidades orbitales de galaxias medidas dentro de los cúmulos de galaxias
son consistentes con las observaciones de materia oscura.

Otra herramienta importante para las observaciones futuras de la materia
oscura son las lentes
gravitacionales. Las lentes se basan en los efectos de la relatividad general
para predecir que las masas que no depende de la dinámica y así es un medio
completamente independiente de medir la energía oscura. En las lentes fuertes,
la distorsión observada de las galaxias de fondo en arcos cuando la luz pasa a
través de una lente gravitacional, ha sido observada alrededor de un cúmulo un
poco distante incluyendo el Abell 1689. Midiendo la
distorsión de la geometría, se puede obtener la masa del cúmulo que causa el
fenómeno. En docenas de casos donde se ha hecho esto, las relaciones masa-luz
obtenidas se corresponden a las medidas de materia oscura dinámica de los
cúmulos.

Tal vez más convincente, se ha desarrollado una técnica durante los últimos
10 años llamada lentes débiles que observa las distorsiones de galaxias a una
microescala en las grandes expediciones debidas a objetos de fondo a través de
análisis estadísticos. Examinando el esquilado de la deformación de las galaxias
de fondo adyacentes, los astrofísicos pueden caracterizar la distribución media
de energía oscura por medios estadísticos y han encontrado las relaciones
masa-luz que se corresponden con las densidades de materia oscura predichas por
otras medidas de estructuras a gran escala. La correspondencia de las dos
técnicas de lentes gravitacionales junto con otras medidas de materia oscura han
convencido a casi todos los astrofísicos de que la materia oscura realmente
existe como un gran componente de la composición del Universo.

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Formación de
estructuras

Artículo principal: Formación de
estructuras

La materia oscura es crucial para el modelo del Big Bang de la
cosmología como un componente que se corresponde directamente a las medidas de
los parámetros asociados
con la métrica FLRW a la relatividad general.
En particular, las medidas de las anisotropías del fondo cósmico
de microondas se corresponden a una cosmología donde gran parte de la
materia interactúa con los fotones de forma más débil que
las fuerzas
fundamentales conocidas que acoplan las interacciones de la luz con la
materia bariónica. Así mismo, se necesita una cantidad significativa de materia
no-barionica fría para explicar la
estructura
a gran escala del universo.

Las observaciones sugieren que la formación de
estructuras en el Universo procede jerárquicamente, con las estructuras más
pequeñas colapsando primero y seguidas de galaxias y después de cúmulos de
galaxias. Según se colapsan las estructuras en la evolución del Universo,
empiezan a "encenderse" ya que la materia bariónca se calienta a través de la
contracción gravitacional y los objetos se aproximan al equilibrio
hidrostático. La materia barionica ordinaria tendría una
temperatura demasiado alta y demasiada presión liberada desde el Big Bang para colapsar y formar
estructuras más pequeñas, como estrellas, a través de la inestabilidad de
Jeans. La materia oscura actúa como un compactador de estructuras. Este
modelo no sólo se corresponde con investigaciones estadísticas de la estructura
visible en el Universo sino también se corresponden de forma precisa con las
predicciones de materia oscura de la radiación de fondo de microondas.

Este modelo inverso de formación de estructuras necesita algo del tipo
de la materia oscura para tener éxito. Las grandes simulaciones por ordenador de
miles de millones de partículas de materia oscura se han utilizado para
confirmar que el modelo de materia oscura fría de la formación de estructuras es
consistente con las estructuras observadas en el Universo a través de las
expediciones de galaxias, como la Sloan Digital Sky
Survey y la 2dF Galaxy
Redshift Survey, así como las observaciones del bosque Lyman-alfa.
Estos estudios han sido cruciales en la construcción del modelo Lambda-CDM que
mide los parámetros cosmológicos, incluyendo la fracción del Universo formada
por bariones y la materia oscura.

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Composición de
la materia oscura

Problemas
no resueltos de la física : ¿Qué es la materia oscura? ¿Cómo se genera?
¿Está relacionada con la supersimetría?

Aunque la materia oscura fue detectada por lentes
gravitacionales en agosto de 2006,[13]
muchos aspectos de la materia oscura continúan siendo especulativos. El
experimento DAMA/NaI
ha afirmado haber detectado directamente materia oscura pasando a través de la
Tierra, aunque
muchos científicos permanecen siendo escépticos ya que los resultados negativos
de otros experimentos son (casi) incompatibles con los resultados del DAMA si la
materia oscura consiste de neutralinos.

Los datos de varias líneas de pruebas, como el problema
de la rotación de las galaxias, las lentes gravitacionales, la formación de
estructuras y la fracción de bariones en cúmulos y la abundancia de cúmulos
combinada con pruebas independientes para la densidad bariónica, que indica que
el 85-90% de la masa en el Universo no interactúa con la fuerza
electromagnética. Esta "materia oscura" es evidente a pesar de su efecto
gravitavional. Se han postulado varias categorías de materia oscura.

Materia oscura
bariónica.

Materia
oscura no-bariónica[14] que está dividida en tres tipos
diferentes:

Materia oscura
caliente: partículas no bariónicas que se mueven
ultrarrelativistamente.[15]

Materia
oscura templada: partículas no bariónicas que se mueven relativistamente.

Materia oscura
fría: partículas no bariónicas que no se mueven relativistamente.[16]

Davis y otros escribieron en 1985:

Las partículas candidatas se pueden
agrupar en tres categorías basándose en su efecto en las fluctuaciones del
espectro (Bond et al. 1983). Si la materia oscura está compuesta de
abundantes partículas ligeras que son relativistas hasta poco antes de la
recombinación, entonces deberían ser denominadas "calientes". El mejor candidato
para la materia oscura caliente es el neutrino [..]

Una segunda posibilidad es que las partículas de materia oscura interactúen
más débilmente que los neutrinos, sean menos abundantes y tengan una masa del
orden de 1eV. Tales partículas se denominan "materia oscura templada", porque
tienen menos velocidad térmica que los neutrinos masivos [..] actualmente hay
unas pocas partículas candidatas que cumplen esta descripción. Los gravitinos y
los fotinos se han sugerido (Pagels y Primack 1982; Bond, Szalay y Turner 1982)
[..]
Cualquier partícula que se convierta en no-relativista muy pronto y así
pueda reflejarse a una distancia insignificante, es llamada materia oscura fría.
Hay muchos candidatos para la materia oscura fría como las partículas
supersimétricas[17]

La materia oscura caliente consiste en partículas que viajan con velocidades relativistas. Se
conoce un tipo de materia oscura caliente, el neutrino. Los neutrinos tienen
una masa muy pequeña, no interactúan a través de fuerzas electromagnéticas o de
la fuerza nuclear fuerte y son por tanto, muy difíciles de detectar. Esto es lo
que les hace atractivo como materia oscura. Sin embargo, los límites de los
neutrinos indican que los neutrinos ordinarios sólo hace una pequeña
contribución a la densidad de materia oscura.

La materia oscura caliente no puede explicar cómo las galaxias individuales
se formaron del Big Bang. La radiación
de fondo de microondas medida por el COBE y el WMAP, es increíblemente lisa,
indica que la materia se ha agrupado en escalas muy pequeñas. Las partículas de
movimiento rápido, sin embargo, no pueden agruparse en tales pequeñas escalas y,
de hecho, suprimen la agrupación de otra materia. La materia oscura caliente,
aunque ciertamente existe en nuestro Universo en forma de neutrinos, es por
tanto, la única parte de la historia.

Distribución estimada de materia y energía oscura en el
Universo.

El Modelo de Concordancia necesita que, para explicar la estructura en el
Universo, es necesario invocar la materia oscura fría (no-relativista). Las
grandes masas, como los agujeros negros del tamaño de galaxias pueden ser
descartados con las bases de los datos de las lentes gravitacionales. Las
posibilidades involucrando materia bariónica normal incluyen enanas marrones o tal
vez pequeños y densos pedazos de elementos pesados, como objetos que son
conocidos como Objetos de tipo halo masivos compactos (massive compact halo
object) o "MACHOs". Sin embargo, los estudios de la Nucleosíntesis
del Big Bang han convencido a muchos científicos de que la materia bariónica
como los MACHOs no pueden ser más que una pequeña fracción de la materia oscura
total.

En el presente, el punto de vista más común es que la materia oscura es
principalmente no-bariónica, compuesta de una o más partículas elementales
distintas de las normales electrones, protones, neutrones y los neutrinos
conocidos. Las partículas propuestas más comunes son los axiones, neutrinos estériles y WIMPs (partículas
masivas de interacción débil, incluyendo neutralinos). Ninguna de
éstas es parte del modelo
estándar de física de partículas, pero pueden aparecer en extensiones al
modelo estándar. Muchos modelos supersimétricos
ocasionan naturalmente los WIMPs en forma de neutralinos.
Los pesados, neutrinos estériles existen en extensiones del modelo estándar que
explica la pequeña masa de los neutrinos a través del mecanismo
del balancín.

Las búsquedas experimentales de estos candidatos a materia oscura han sido
llevadas a cabo y siguen adelante. Estos esfuerzos se pueden dividir en dos
grandes categorías: detección directa, en los que las partículas de materia
oscuras se observan en un detector y la detección indirecta, que busca los
productos de las aniquilaciones de materia oscura. Los experimentos de detección
de materia oscura han descartado algunos modelos de WIMP y axiones. También hay varios
experimentos reclamando pruebas positivas de la detección de materia oscura,
como el DAMA/NaI
y el Egret,
pero estas están lejos de ser confirmadas y difíciles de reconciliar con los
resultados negativos de otros experimentos. Varias búsquedas de la materia
oscura están actualmente en proceso, como la Cryogenic
Dark Matter Search en la Mina de Soudan y el experimento XENON en Gran Sasso
y muchas nuevas tecnologías que están en desarrollo, como el experimento ArDM.

En investigaciones publicadas completamente en la primavera de 2006, los
investigadores del Instituto de Astronomía de la Universidad de
Cambridge afirman haber calculado que la energía oscura sólo viene en
cúmulos mayores de 1.000 años luz de radio, implicando una velocidad media para
las partículas de materia oscura de 9 km/s, una densidad de 20 amu/cm³ y una
temperatura de 10.000 kelvins.[18]

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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 ralentizarse, 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.

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Explicaciones
alternativas

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Modificaciones de la
gravedad

Una explicación alternativa a las incógnitas planteadas por la materia oscura
es suponer que las inconsistencias observadas son debidas a una comprensión
incompleta de la Gravedad. Para explicar las
observaciones, 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),[19]
que corrige las Leyes de Newton para
aceleraciones pequeñas. Sin embargo, las construcción de una teoría MOND
relativista ha sido problemática y no está claro como se puede reconciliar con
las medidas de lentes
gravitacionales en la reflexión de la luz alrededor de las galaxias. La
principal teoría MOND relativista, propuesta por Jacob Bekenstein en 2004 es llamada TeVeS
(Tensor-Vector-Scalar) y resuelve muchos de los problemas de los primeros
intentos. Una teoría de gravedad modificada (MOG) propuesta por John
Moffat, basada en la Teoría
Gravitacional No-Simétrica (NGT), es también una alternativa a la materia
oscura.

Otra teoría es la Expansión
cosmica en escala (SEC).[20]
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.

En Agosto de 2006, un estudio de colisión de cúmulos de galaxias afirmaba
demostrar que, incluso en una hipótesis de gravedad modificada, la mayoría de la
masa tiene que ser alguna forma de materia oscura demostrando que cuando la
materia regular es "barrida" de un cúmulo, los efectos gravitacionales de la
materia oscura (que se pensaba que no interactuaba aparte de su efecto
gravitacional) permanecen.[21]
Un estudio afirma que TeVeS
puede producir el efecto observado, pero esto continúa necesitando que la
mayoría de la masa esté en forma de materia oscura, posiblemente en forma de
neutrinos ordinarios.[22]
También la Teoría
Gravitacional No-Simétrica ha afirmado que cualitativamente encaja con las
observaciones sin necesitar la exótica materia oscura.[23]

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Explicaciones de mecánica
cuántica

En otra clase de teorías se intenta reconciliar la Gravedad con la Mecánica cuántica y
se obtienen correcciones a la interacción gravitacional convencional. En teorías
escalar-tensoriales, los campos escalares como el campo de Higgs se acopla
a la curvatura dada a través del tensor de Riemann o sus trazas. En muchas
de tales teorías, el campo escalar es igual al campo de inflación, que es
necesario para explicar la inflación cósmica
del Universo después del Big Bang, como el factor
dominante de la quintaesencia o energía oscura.
Utilizando una visión basada en el Grupo de
Renormalización, M. Reuter y H. Weyer han demostrado[24]
que la constante de Newton y la constante cosmológica pueden ser funciones
escalares en el espacio-tiempo si se asocian las escalas de renormalización a
los puntos del espacio-tiempo.

En la teoría de la relatividad de
escala Laurent Nottale, el espacio-tiempo es contínuo pero no diferenciable,
conduciendo a la aparición de una Ecuación de
Schrödinger gravitacional. Como resultado, aparecen los efectos de
cuantización a gran escala.[25]
Esto hace posible predecir correctamente las estructuras a gran escala del
Universo sin la necesidad de las hipótesis de la materia oscura.

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Materia oscura
en la cultura popular

En algunos videojuegos y otros trabajos de ficción aparecen menciones a la
materia oscura. En tales casos, normalmente se le atribuyen propiedades físicas
o mágicas extraordinarias. Tales descripciones a menudo son inconsistentes con
las propiedades de la materia oscura propuestas en la física y la cosmología.
Por ejemplo:

La serie de televisión Futurama,
en la que la materia oscura es maloliente, sirve de combustible a las naves
espaciales y es tan pesada que 10 cm³ pesan más de 5000 kilogramos.

En el videojuego de GBA Golden Sun: La Edad Perdida, la materia oscura
aparece como un material que puede ser utilizado para fabricar armas y
escudos.

En el videojuego de Wii Super Mario Galaxy, la materia oscura aparece con
la propiedad de crear agujeros en suelos, agujeros que "proyectan" la materia
oscura, y finalmente, con una propiedad particular de desintegrar a quien la
toque (en este caso Mario o Luigi).

En el videojuego MMORPG Maple Story, la materia oscura aparece como un
objeto que se consigue por Cash, que con la culminación de ciertas misiones,
dan ciertos equipamentos y armas raras y ventajosas.

En la saga Final
fantasy la materia oscura es un item usado para crear pociones, armas,
otros tipos de artefactos.

En el videojuego para N64 Kirby
64: The Cristal Shards el enemigo es un ser llamado "Dark Matter" o
materia oscura en español que parece estar compuesto de esta misma.

En el videojuego para GC Metroid Prime 2:
Echoes la historia transcurre entre un planeta y su semejante creado a
partir de energia oscura. Tanto la protagonista como algunos enemigos son
capaces de usar materia oscura como armamento.

En el videojuego para SNES Chrono Trigger, Magus
tiene la última técnica denominada dark matter (o en español "materia
oscura").

[editar]
Referencias

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del WMAP

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cross-section from the merging galaxy cluster 1E0657-56 - Restricciones
directas a la sección eficaz de autointeracción de la materia oscura obtenidas
a partir del cúmulo de galaxias en fusión 1E 0657-56 (Cúmulo Bala)

↑ Discovery of a Ringlike Dark Matter Structure in the Core of the
Galaxy Cluster Cl 0024+17 - Descubrimiento de un anillo de materia oscura en
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[editar]
Enlaces externos

Vídeo sobre la Materia Oscura

Visibilidad/Detectabilidad de la Materia Oscura (3 de enero de
2007)

Encontrado: Gran parte del Universo - por Phil Plait

Materia Oscura Caliente - por Martin White

"Gran parte de nuestro Universo está Desaparecida" -
Horizon vídeo

"Partículas de Materia Oscura: Pruebas, Candidatas y
Restricciones" - por G. Bertone, D. Hooper y J. Silk

"Búsquedas Experimentales de la Materia Oscura" - por Timothy
J. Sumner

"La
materia oscura salió del frío" - BBC News 5 de
febrero de 2005

"Los astrónomos encuentran la Galaxia sin Estrellas" - BBC News 23 de
febrero de 2005

"Al Principio" - The Economist 13 de
enero de 2005

Las galaxias elípticas también tienen halo de materia oscura

Artículos recientes sobre materia oscura en arXiv.org

NASA
Encuentra Pruebas Directas de Materia Oscura (imágenes), (texto)

Artículo sobre Pruebas Directas de Materia Oscura

Noticias y Vídeos de Mapas 3D Map de andamios de MAteria Oscura
de la ESA/Hubble

La materia oscura existe CNN.com

Artículos de introducción a la materia oscura

Parodia del Avance de Noticias sobre la Verdadera Naturaleza de
la Materia Oscura

"El
equipo encuentra 'pruebas' de la materia oscura" Paul Rincón (2006) BBC
online. Primera prueba directa de la materia oscura

La Materia Oscura Existe por Sean
M. Carroll.

Problemas de la Masa Desaparecida de la Cosmología por Robert
Fritzius

Un
gran hallazgo en la caza de la escurridiza materia oscura

Viendo lo invisible (SeedMagazine.com)

¿Estrellas negras en el principio de los tiempos?

Los secretos de la materia oscura. Parte 1 y parte 2, parte 3, Parte 4, Parte 5, Parte 6, Parte 7, Parte 8,

¿La Materia Oscura en (Serios) Problemas? Parte I Por Jorge
A. Vázquez y Gema Hebrero

Obtenido de "http://es.wikipedia.org/wiki/Materia_oscura"

Categorías:
Problemas
no resueltos de la física | Materia
oscura

Categoría oculta: Wikipedia:Artículos
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