Sectores oscuros del Universo: ¿Materia Oscura?
Figura 1: Simulación de la distribución de materia oscura (izquierda) y materia ordinaria (derecha) del Universo en la simulación Illustris.
Crédito: Markus Haider / Illustris collaboration
Actualmente se estima que existen ~10 billones de galaxias en todo el Universo. También, se cree que en cada galaxia existen ~10 billones de estrellas. ¿No es sorprendente imaginarse el número de estrellas que hay en todo el Universo? Esto, frecuentemente, puede generar muchas preguntas sobre posible vida en otros planetas, la historia del Universo y demás. Pero, desde el siglo pasado, astrónomos han tratado de entender su origen, y entender la física que dicta todos los procesos del Universo. Es por ello que muchos científicos han tratado de entender sus diferentes “sectores”. En este post nos centraremos en el sector “oscuro” del Universo, específicamente el de la “materia oscura”.
En esta época, científicos pueden hacer mediciones precisas de la geometría del Universo, y sobre los diferentes elementos que existen. Actualmente, se estima que el Universo es casi completamente plano, y está lleno de “materia oscura” y “energía oscura”. La materia oscura hace referencia que no emite ningún tipo de radiación electromagnética. La energía oscura es la “energía” responsable por la expansión acelerada del Universo. La materia oscura corresponde solamente al 26% de la energía total, mientras que la energía oscura corresponde al 70%. Esto significa que lo que podemos ver y tocar solamente corresponde al 4% de toda la energía del Universo! Este tema ha sido investigado plenamente, pero aún no contamos con respuestas definitivas. Es por ello que científicos a través del mundo han tratado de “detectar” la materia oscura.
Desde 1937, astrónomos han sabido sobre la existencia de la materia oscura, y han tratado de incluirla en los modelos cosmológicos que tratan de describir nuestro Universo. El modelo cosmológico que actualmente se cree correcto se conoce como el Lambda-CDM. En este modelo, las partículas de materia oscura se mueven relativamente despacio comparado con la velocidad de la luz, y muy raramente interactúan con otras partículas. Se cree que la mayor parte de masa en una galaxia proviene de la materia oscura, y se ha tratado de observar por medio de curvas de dispersión de velocidad de galaxias, mediciones de lentes gravitacionales, y más. Estas curvas proveen mediciones de cuánta masa se haya dentro de la galaxia, y es una prueba indirecta de la existencia de la materia negra. En la década de los 60, Vera Rubin y Kent Ford utilizaron mediciones de dispersión de velocidad en galaxias, y descubrieron que las galaxias necesitaban contener ~6 veces más masa de lo que se podía observar para poder explicar sus resultados.
Figura 2: Ejemplo de una fusión de 2 galaxias – NGC4676
Otra forma de detectar materia negra es estudiando las fusiones de galaxias. Estos eventos son unos de los más violentos en el Universo, en los cuales galaxias colisionan entre ellas, destrozándose, en algunos casos, completamente. Durante la colisión, las estrellas raramente colisionan con otras estrellas. El gas y el plasma interactúan a través de la gravedad y fricción electromagnética, modificando la estructura de las galaxias. La materia oscura muy raramente interactúa con otras partículas, y por ello se cree que no se vería afectada por las interacciones gravitatorias de la fusión de galaxias. En 1988, se descubrió el “Cúmulo Bala”, un ejemplo del resultado de la fusión de un clúster (aglomeración) de galaxias. En el año 2006, Clower et al. (2006) utilizaron el “Cúmulo Bala” (Figura 3) para demostrar indirectamente la existencia de la materia oscura. Los componentes principales del cúmulo son estrellas, gas, plasma, y materia oscura. Utilizando mediciones en Rayos-X, lentes gravitacionales, y luz óptica e infrarroja para analizar la orientación espacial de los diferentes componentes de la fusión, i.e. estrellas, gas y plasma, y materia oscura, este análisis concluyó que la concentración de materia oscura estaba segregada espacialmente con respecto a los otros elementos (bariones). Ellos también concluyeron que la probabilidad de que este evento fuera pura casualidad era de 1 en 1015. Por ende, ellos estaban seguros de que lo que detectaron era la materia oscura y los bariones interactuando de diferente forma durante la fusión de galaxias. Esta observación ofrece una detección indirecta de uno de los sectores oscuros del Universo, e insinúa la presencia de materia oscura en nuestro Universo.
Figura 3: El “Cúmulo de Bala”. Esta imagen enseña la distribución de masa bariónica (en rojo) y la de la materia oscura (en azul), luego de que 2 clúster de galaxias colisionaron. Esto comprueba que la materia bariónica colisionó e interactuó luego de la fusión, mientras que la materia oscura no interactuó con otras partículas y simplemente siguió su rumbo.
Crédito: NASA Astronomy Picture of the day - https://apod.nasa.gov/apod/ap060824.html
Esta “detección” de materia oscura sirvió como primer paso para verificar la existencia de uno de los sectores oscuros del Universo. Esta búsqueda por entender los diferentes elementos del Universo ha empezado recientemente, y se estima que en unos 10 años, telescopios como el “Gran Telescopio para Rasteros Sinópticos” (LSST en inglés) contribuirán enormemente a la detección de materia y energía oscura.
Así que, ¡a mantenernos atentos de futuros hallazgos de los sectores oscuros!
Extras:
https://www.lsst.org/science/dark-matter - La Naturaleza de materia oscura (inglés)
http://www.illustris-project.org/about/ - Sitio de la Simulación Illustris
http://www.astronoo.com/es/articulos/cumulo-bala.html - Más sobre el cúmulo de Bala
Referencias
“A direct empirical proof of the existence of dark matter” by Clowe et. al (2006)