Investigación sobre materia oscura

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La determinación de la naturaleza de esta masa no visible es una de las cuestiones 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 incógnita".

- Primera evidencia observada de materia oscura

En 1933 el astrónomo suizo Fritz Zwicky del Instituto Técnico de California (CalTech) decidió estudiar un pequeño grupo de 7 galaxias en el cúmulo Coma. Su objetivo fue calcular la masa total de este cúmulo mediante el estudio de la velocidad (o más bien las velocidades de dispersión) de estas siete galaxias. Usando las Leyes de Newton él calculó esta “masa dinámica”, luego la comparó con la “masa luminosa”, la cual es la masa calculada a partir de la cantidad de luz emitida por el cúmulo (asumiendo una población razonable de estrellas en la galaxia).

Las velocidades de dispersión (o en otras palabras, cómo la velocidad de estas siete galaxias difiere una de la otra) están relacionadas directamente con la masa del cúmulo. En efecto, un cúmulo de estrellas puede ser comparado con un gas, donde las partículas pueden ser galaxias. Si el gas es caliente y ligero entonces la velocidad de dispersión es alta. En el caso extremo las partículas con suficiente velocidad dejan el gas (evaporación). Si el gas es frío y pesado entonces la velocidad de dispersión es baja.

Zwicky se sorprendió al notar que las velocidades observadas en el cúmulo coma eran muy altas. La masa dinámica era 400 veces más grande que la masa luminosa. En ese momento los métodos y precisión de las mediciones no eran lo suficientemente precisas como para descuidarse. Por otra parte objetos masivos como la enana marrón, enanas blancas, estrellas de neutrones, hoyos negros y en general objetos pobremente radiantes eran poco conocidos, lo mismo ocurría para el polvo interestelar y el gas molecular.

Zwicky anunció su observación a sus becarios, pero ellos no estuvieron interesados. La reputación de Zwicky no era tan buena debido a su fuerte carácter y sus mediciones fueron criticadas debido a mediciones inciertas.

El mismo fenómeno fue observado nuevamente en 1936 por Sinclair Smith durante sus cálculos de la masa dinámica total del cúmulo de Virgo. Esta fue 200 veces más importante que la estimación de Edwin Hubble. De acuerdo a Smith esto podría ser explicado por la presencia de materia entre las galaxias del cúmulo. Por otro lado el cúmulo de galaxias eran consideradas aún por un número de astrónomos como estructuras temporales más que como estructuras estables. Esta explicación fue suficiente para explicar velocidades excesivas.

En ese momento los astrónomos tenían otras importantes preguntas que resolver (tales como la expansión del universo) y la pregunta de esta diferencia entre la masa dinámica y la luminosa fue dejada a un lado por muchas décadas.

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 pruebas sugieren que las galaxias, los cúmulos de galaxias y todo el Universo contiene mucha más materia que la que interactúa con la radiación electromagnética: lo restante es llamado "el componente de materia 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 existencia de la materia oscura quedó confirmada a partir de 1974, aunque hasta 1980 aún se la llamaba “masa perdida” (“missing mass”) o “masa no visible” (“unseen mass”). Fritz Zwickyusó por primera vez el término “materia oscura” (“dunkle Materie” en alemán) en 1933, pero las estimaciones de la masa del disco galáctico de la Vía Láctea por James Jeans (1922) y Jacobus Kapteyn (1922) ya habían indicado la presencia de “estrellas oscuras” (tres estrellas tan poco luminosas que no se veían por cada una que era visible), algo que Jan Hendrik Oort confirmó en 1932. Nos cuenta la historia de la materia oscura galáctica Virginia Trimble (Departamento de Física y Astronomía, Universidad de California) en “The discovery of dark matter,” DV2010 – Darkness Visible, IoA Cambridge, August 2-6 2010.

En el s. XIX se descubrió que las estrellas no estaban fijas en el cielo y se movían. Hasta 1918 se creyó que el universo era la Vía Láctea y tenía al Sistema Solar en su centro. Las estrellas se movían con velocidades radiales alrededor del Sistema Solar. Muchos astrónomos de principios del s. XX trataron de obtener un mapa de las velocidades de las estrellas en el universo, entre ellos Kapteyn, Jeans, Eddington, Karl Schwarzschild, Strömberg, y más tarde Oort, con objeto de determinar la masa total del universo, tanto masa visible (estrellas y nebulosas), como no visible (otros objetos que no brillan como planetas y polvo interestelar).Ernst Opik (1915) demostró que la densidad de materia del universo (nuestro entorno local dentro de la Vía Láctea) estaba dominada por la materia visible (estrellas) y que la materia no visible era despreciable.

Opik en 1922 determinó que la Nebulosa de Andrómeda estaba a 440 kpc (kilopársec) del centro de la Vía Láctea (la mitad de la distancia correcta). El universo conocido creció hasta abarcar un gran vacío alrededor de la Vía Láctea cuyo centro era el centro de nuestra galaxia. Varios astrónomos decidieron hacer un mapa de las estrellas de nuestra galaxia. Kapteyn (1922) y Jeans (1922) utilizaron estos mapas para estimar su masa total y descubrieron que la Vía Láctea tenía una masa cuatro veces mayor de la observada gracias a las estrellas. Según Jeans “debía haber tres estrellas oscuras en el universo por cada estrella (visible).”

Hubble (1924-1929) descubrió que las nebulosas eran galaxias como la nuestra y que el universo estaba formado por galaxias, estaba en expansión y la Vía Láctea no estaba en su centro. Oort (1932) determinó