QUE ES LA MATERIA NEGRA

EDAD ASTRONÓMICA GRANADINA

MATERIA OSCURA Pablo J. Berneo

Hay una fuerte evidencia, mediante una gran variedad de observaciones diferentes, de la existencia de una gran cantidad de materia oscura en el universo. El término "materia oscura" alude materia cuya existencia no puede ser detectada mediante procesos asociados a la luz, es decir, no emiten ni absorben radiaciones electromagnéticas, así como no interaccionan con ella de modo que se produzcan efectos secundarios observables; esta materia ha sido inferida solamente a través de sus efectos gravitacionales.

Hay también una extensa evidencia circunstancial de que al menos alguna cantidad de esta materia oscura es de naturaleza no barionica, es decir, compuesta de partículas elementales distintas a los protones, neutrones y electrones (los bariones son todas aquellas partículas compuestas por tres quarks, tales como el protón o el neutrón; el electrón no es un barión sino un leptón, pero por simplicidad siempre que nos referimos a los bariones cuando hablamos sobre materia oscura se sobreentiende que incluimos a los electrones como si de un barión más se tratase). Estas partículas deben haber sobrevivido desde el Big Bang, y por lo tanto o deben ser estables o tienen tiempos de vida que exceden la edad actual del universo (durante la vida de una partícula ha esta le pueden llegar a ocurrir dos cosas: puede desintegrarse en otras partículas distintas y el tiempo que han tardado en hacerlo desde que fueron "creadas" lo llamamos su tiempo de vida; o pueden ser estables por lo que nunca se desintegrarán o transformaran en otra especie).

La abundancia de materia oscura normalmente se contabiliza en términos de su densidad de masa en unidades elegidas de modo que son equivalentes a tantos por uno, siendo la densidad que contabiliza toda la masa existente, independientemente de su naturaleza igual a uno. La cantidad total de materia visible, es decir, materia cuya existencia es inferida mediante emisión o absorción de fotones, es aproximadamente 0.005, con una incertidumbre de al menos un factor de dos veces la medida.

La evidencia más fuerte de materia oscura está en las curvas de rotación de las galaxias espirales. En estas observaciones, la velocidad azimutal de las nubes de hidrógeno rodeando la galaxia es medida (mediante desplazamiento Doppler) en función de la distancia al centro de la galaxia o radio galáctico. Si no hubiese materia oscura, a distancias suficientemente alejadas del centro o bulbo de la galaxia encontraríamos que la velocidad es inversamente proporcional al radio o distancia galáctica, ya que la masa visible de una galaxia espiral está prácticamente concentrada en su centro, estando el resto sobrante distribuido a su alrededor en forma de lo que denominamos brazos. Sin embargo, observaciones de muchas galaxias espirales indican una velocidad que es independiente de la distancia a grandes distancias con un valor típico de unos 200 Km s^-1. En otras palabras, el movimiento de la materia que compone la estructura de una galaxia espiral no verifica las leyes de Kepler.

Una "curva de rotación plana" como esta implica que la masa total dentro de un radio dado crece linealmente con la distancia. Se sugiere como modelo para intentar explicar este hecho el de una esfera autogravitante de gas ideal a una temperatura uniforme, que depende directamente de la masa de la partícula de materia oscura, podría tener este perfil de masa.

Las curvas de rotación se miden a lo largo de algunas decenas de kiloparsec, implicando una masa total dentro de este radio que es típicamente unas diez veces la masa visible. En nuestra galaxia, estimaciones de la densidad local de la materia oscura típicamente da un valor de 0.3 GeV cm^-3 , pero este resultado es muy sensible al modelo del halo de materia oscura en la galaxia.

Otras indicaciones de la presencia de materia oscura vienen de observaciones del movimiento de galaxias y gas caliente en cúmulos de galaxias. El resultado total es que la densidad de materia oscura es aproximadamente 0.2. Estudios en campos de velocidad a gran escala resultan en una densidad igual o mayor que 0.3. Sin embargo estos métodos de determinación requieren algunas suposiciones astrofísicas sobre cómo se forman las galaxias.

Ninguna de estas observaciones nos da una indicación directa de la naturaleza de la materia oscura. Si es barionica, las formas que puede tomar están severamente restringidas, ya que la mayoría de las formas permitidas de este tipo de materia oscura emite y absorbe fotones en por lo menos una banda de frecuencia observable. Algunas posibles excepciones incluyen remanentes (de enanas blancas, estrellas de neutrones, agujeros negros) de una temprana generación de estrellas masivas u objetos más pequeños que nunca iniciaron la combustión nuclear (y podrían por lo tanto tener masas menores que aproximadamente la décima parte de la masa solar).