Materia oscura/secretos de la materia oscura
Fecha Jueves, 29 noviembre a las 16:05:01
Tema Ciencia
La materia oscura es un concepto muy importante en la cosmología y
astrofísica modernas. Este dossier va a presentar el conjunto de los
problemas que se reagrupa bajo el nombre de materia oscura; En primer
lugar, en un cierto número de objetos astrofísicos, los movimientos
observados son diferentes de los que se espera teóricamente, cuando se
trata de deducirlos de la acción gravitacional de las masas que
observa, todo pasa como si una densidad de masa invisible estuviera
presente.
El conjunto de problemas que se agrupan bajo el nombre de materia oscura...
Luego, el modelo estándar de formación de las grandes estructuras
en el Universo, que se explica de una parte cómo se forman las galaxias
y los cúmulos de galaxias, y por otra parte las propiedades del fondo
de microondas cósmico, permiten dar cuenta de observaciones que
condicionan que el Universo contiene una gran cantidad de masa bajo una
forma diferente de la materia ordinaria.
La cosmología en general ofrece información crucial sobre el
contenido del Universo, sea por el estudio de su geometría o por la de
su historia. Los resultados indican claramente que el Universo contiene
más materia que la que se ve.
Varias cuestiones se plantean entonces: "¿Esta materia oscura
existe realmente? ¿Si es que sí, qué es? ¿Si es que no, de donde vienen
los problemas que acabamos de mencionar?".
Sería una satisfacción resolver estos tres problemas al mismo
tiempo, y la utilización del vocablo común materia oscura tiene por lo
menos el mérito psicológico de mantener esta esperanza, pero hay que
reconocer que este final todavía no aparece en el horizonte. Esto no es
por otra parte una fracaso, porque la existencia de los problemas de la
materia oscura motivaron un gran número de búsquedas que acabaron en
descubrimientos importantes en astrofísica y cosmología.
Vamos en este expediente a empezar por presentar los diferentes
indicios que llevan a la hipótesis de la materia oscura. Luego
presentaremos varias propuestas que han sido hechas para intentar
responder a la cuestión "¿De qué esta hecha la materia oscura?".
También discutiremos algunos de los numerosos experimentos que podrían
aportar elementos de respuesta a esta cuestión.
Una pequeña historia: Urano y Neptuno, Mercurio y Vulcano.
-Una pequeña historia de planetas.
Vamos a empezar con una pequeña historia, o más bien un episodio de
la Historia de las ciencias, que parece no tener gran relación con los
problemas modernos de la materia oscura, ya que vamos a hablar de
planetas. Sin embargo, la pequeña moraleja de esta historia podrá
servir de guía para lo que viene a continuación.
- La órbita de los planetas.
Muy temprano en la historia de la astronomía, ha sido observado que
ciertos astros ocupaban en el cielo posiciones que variaban con el
tiempo. Algunos de estos objetos celestes han sido identificados como
planetas (la raíz griega de la palabra "planeta" significa
"vagabundo" . Su movimiento en el cielo puede ser muy complejo y
sistemas sofisticados han sido ideados para dar cuenta de esta
complejidad. De hecho, a pesar de las apariencias, los planetas
describen en el espacio trayectorias simples: son elipses (primera ley
de Kepler). La complejidad del movimiento en el cielo es principalmente
debida al hecho de que observamos este movimiento desde la Tierra que
también está en movimiento. La forma elíptica de las trayectorias está
bien explicada por la hipótesis que los planetas están unidos al Sol
por una fuerza gravitacional, según la ley de la gravitación universal
formulada por Newton. De hecho, la ley de Kepler es exacta para un
planeta único orbitando alrededor de una estrella, pero no lo es
completamente cuando varios planetas están presentes, cada uno perturba
ligeramente el movimiento de los otros y las órbitas resultantes tienen
formas un poco más complejas. Conociendo la posición de todos los
planetas en un momento dado, podemos calcular estas perturbaciones con
la ley de Newton, y comparar la trayectoria calculada con el movimiento
observado. Dentro del límite de los errores experimentales, el acuerdo
es muy bueno la mayoría de los planetas. Esto indica que efectivamente,
la ley de la gravitación formulada por Newton contempla correctamente
la fuerza que vincula los planetas al Sol.
- Los vagabundeos de Urano y el descubrimiento de Neptuno.
Cuando se procuró hacer esta comparación cada vez más precisa,
varios problemas aparecieron. En primer lugar, se apercibieron al
principio del siglo 19 que el movimiento calculado para Urano (entonces
el último planeta conocido del sistema solar), no correspondía al que
fue observado. En 1845, los dos astrónomos Adams y Le Verrier tienen,
por separado, la misma idea para resolver este problema. Lanzan la
hipótesis que la perturbación es debida a un nuevo planeta situado más
allá de Urano. Van más lejos y calculan la posición que debería ocupar
este planeta para justificar las anomalías de la trayectoria de Urano.
Un telescopio es apuntado hacia la posición predicha y en 1846, el
nuevo planeta es observado: ¡es Neptuno!.
|  | | Urano a la izquierda, y su elemento perturbador, Neptuno con su satélite Tritón, a la derecha.© NASA (pulsar sobre las imágenes para ampliarlas) |
- Los vagabundeos de Mercurio y la Relatividad General.
Diez años más tarde se repite la historia. En 1855, Le Verrier
observa otra anomalía en el movimiento de Mercurio: su perihelio (el
punto de su órbita más próximo del Sol) gira alrededor del Sol un poco
demasiado rápido con relación a los cálculos. Hablamos primero del
perihelio de Mercurio. Debido al éxito precedente, supone que esta
anomalía también es debida a un nuevo planeta. Calcula de nuevo la
posición que debería tener para dar cuenta de la anomalía de mercurio,
y encuentra que su órbita debería encontrarse dentro de la de mercurio,
muy cerca del Sol. Este planeta hipotético ya tiene un nombre: Vulcano.
Esta vez sin embargo, a pesar de todos los esfuerzos astronómicos para
observarlo en la posición predicha, nadie logró verlo. Hay que decir
que es una situación experimental difícil: se trata de observar un
planeta situado muy cerca del Sol. Varias explicaciones fueron
propuestas, la presencia de gas, de asteroides, pero habría que esperar
hasta 1915 para que la solución, radical, fuera encontrada: No hay
ningún nuevo planeta, y como demuestra Einstein aquel año, la anomalía
viene por el hecho que se utilizó la mecánica newtoniana para calcular
el movimiento de Mercurio, mientras que la gravitación debe acudir a
otra teoría, la relatividad general. La diferencia es muy débil para
los planetas más alejados del Sol que Mercurio, porque el campo
gravitacional allí es menos fuerte, pero es suficiente en el caso de
Mercurio para conducir a la anomalía observada. Los cálculos de
relatividad general conducen a un valor válido para el adelanto del
perihelio de Mercurio. Este fenómeno de adelanto del perihelio ha sido
puesto en evidencia para otros planetas, Marte, la Tierra, y Venus.
 |  | | Izquierda: Tránsito de Mercurio delante del Sol. Derecha: Mercurio© NASA (pulsar sobre las imágenes para ampliarlas) |
astroseti.org
Artículo original de Richard Taillet, profesor de Física e investigador.
Crédito de las imágenes: Sloan Digital Sky Survey Team, NASA, NSF, DOE.
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