{"id":543,"date":"2018-01-19T13:57:38","date_gmt":"2018-01-19T12:57:38","guid":{"rendered":"http:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/fisicateorica\/?p=543"},"modified":"2018-01-19T13:57:38","modified_gmt":"2018-01-19T12:57:38","slug":"como-sabemos-lo-poco-que-sabemos-de-la-materia-oscura","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/fisicateorica\/2018\/01\/19\/543\/","title":{"rendered":"C\u00f3mo sabemos lo (poco) que sabemos de la materia oscura"},"content":{"rendered":"

Por Javier Coronado Bl\u00e1zquez<\/a> (Investigador Predoctoral en el IFT UAM-CSIC)<\/p>\n

El llamado modelo cosmol\u00f3gico est\u00e1ndar \u039bCDM es uno de los grandes logros cient\u00edficos y conceptuales de la Humanidad. Es un modelo enormemente exitoso, que parte de la Relatividad General de Einstein e introduce una forma de energ\u00eda oscura como una constante cosmol\u00f3gica (\u039b), que supone aproximadamente el 70% del contenido energ\u00e9tico del Universo, y una componente de materia oscura fr\u00eda (Cold Dark Matter \u2013 CDM), que da cuenta de un 25%. S\u00f3lo el 5% restante es lo que vemos en forma de luz y materia.<\/p>\n

Aqu\u00ed vamos a intentar entender por qu\u00e9 sabemos que el universo contiene esta componente de materia oscura, y c\u00f3mo, a pesar de desconocer en gran medida su naturaleza, s\u00ed que sabemos unas cuantas cosas.<\/p>\n

\u00bfFr\u00edo, caliente, o todo lo contrario?<\/strong><\/p>\n

Cuando decimos que la materia oscura es fr\u00eda nos estamos refiriendo a su energ\u00eda. Intuitivamente la energ\u00eda y la temperatura son conceptos an\u00e1logos, por lo que algo que contenga poca energ\u00eda no estar\u00e1 muy caliente.<\/p>\n

De la misma manera, tambi\u00e9n podemos visualizar c\u00f3mo un fluido de part\u00edculas que se muevan a gran velocidad tendr\u00e1 m\u00e1s energ\u00eda que uno en el que las part\u00edculas se muevan m\u00e1s despacio. Por ello, existe una estrecha relaci\u00f3n entre energ\u00eda, temperatura y velocidad.<\/p>\n

Ahora imaginemos una lavadora. Si el tambor empieza a girar muy despacio, la ropa va cayendo constantemente y amonton\u00e1ndose en la parte de abajo. Sin embargo, cuando empieza a girar muy r\u00e1pido, la fuerza centr\u00edfuga hace que la ropa no est\u00e9 amontonada, sino que est\u00e9 pegada a las paredes, haciendo imposible que \u201ccolapse\u201d.<\/p>\n

Aunque la realidad es mucho m\u00e1s compleja, la formaci\u00f3n de estructuras como galaxias en la naturaleza es parecida a la ropa en la lavadora: la materia oscura colapsa, formando pozos gravitatorios de enorme masa que atraen a la materia visible, form\u00e1ndose por colapso estrellas, planetas y dem\u00e1s.<\/p>\n

Al igual que si la energ\u00eda del tambor de la lavadora (o su velocidad) era muy alta las prendas no se amontonaban unas sobre otras, si la materia oscura tiene una velocidad muy alta no puede colapsar y, por tanto, no atraer\u00e1 materia ordinaria, por lo que no tendremos galaxias.<\/p>\n

De aqu\u00ed surge el concepto de materia oscura \u201cfr\u00eda\u201d, en oposici\u00f3n a la materia oscura caliente (Hot Dark Matter \u2013 HDM). Cuanto m\u00e1s fr\u00eda est\u00e9 la materia oscura, m\u00e1s f\u00e1cil es que colapse y que atraiga materia ordinaria, por lo que m\u00e1s nivel de estructura (galaxias, c\u00famulos, etc.) tendremos. Tambi\u00e9n se propuso la materia oscura \u201ctemplada\u201d (Warm Dark Matter \u2013 WDM), una opci\u00f3n intermedia entre ambos escenarios.<\/p>\n

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Formaci\u00f3n de estructuras: Seg\u00fan la temperatura de la materia oscura, tendremos m\u00e1s o menos nivel de estructura. En la imagen, simulaci\u00f3n cosmol\u00f3gica de materia oscura. De izquierda a derecha, HDM (caliente), WDM (templada) y CDM (fr\u00eda). La fila de arriba corresponde a un tiempo primitivo y la fila de abajo, al tiempo actual. (cr\u00e9dito: http:\/\/burro.case.edu\/Academics\/Astr222\/Cosmo\/Structure\/darkmatter.html)<\/figcaption><\/figure>\n

Al realizar simulaciones, como la de la imagen anterior, la \u00fanica manera de reproducir las observaciones es introducir una componente de materia oscura fr\u00eda. Si las simulaciones se realizan con materia oscura caliente, no se obtiene la estructura del Universo.<\/p>\n

De todo esto, adem\u00e1s, se deduce que la materia oscura debe ser realmente una forma de materia, es decir, debe tener masa, puesto que siente la gravedad y colapsa. Si fuera una part\u00edcula sin masa, como el gravit\u00f3n o el fot\u00f3n, deber\u00eda tener siempre una velocidad igual a la de la luz, lo que est\u00e1 en contra de las bajas velocidades requeridas.<\/p>\n

Nunca positivo, nunca negativo<\/strong><\/p>\n

Es posible que el nombre \u201cmateria oscura\u201d nos sugiera algo as\u00ed como una part\u00edcula negra, pero lo m\u00e1s correcto ser\u00eda haberla llamado materia transparente o invisible.<\/p>\n

Esta componente del Universo es oscura en el sentido de que no podemos verla. Pero ver algo significa que ese algo est\u00e1 emitiendo o reflejando luz, fotones. No por ello significa que tengamos que verlo con nuestros propios ojos, puesto que nuestro rango de visi\u00f3n (la parte del espectro electromagn\u00e9tico conocido como \u00f3ptico o visible) es muy limitado, pero en alguna longitud de onda deber\u00edamos ver una se\u00f1al.<\/p>\n

Sin embargo, no vemos nada. Esto quiere decir que la materia oscura es verdaderamente transparente: no interact\u00faa con fotones. Como la base del electromagnetismo es el intercambio de fotones, si la materia oscura estuviese cargada dispersar\u00eda luz. Por tanto, debe ser neutra.<\/p>\n

Si un fot\u00f3n con una cierta energ\u00eda impacta contra, por ejemplo, un electr\u00f3n, ambas part\u00edculas interactuar\u00e1n y seg\u00fan su energ\u00eda, \u00e1ngulo de colisi\u00f3n, etc. dar\u00e1n lugar a diversos procesos, que pueden llevar incluso a la creaci\u00f3n de otras part\u00edculas. Pero cuando un fot\u00f3n incide sobre una part\u00edcula de materia oscura, simplemente pasa de largo.<\/p>\n

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Interacciones.<\/strong> En la primera animaci\u00f3n, interacci\u00f3n inel\u00e1stica entre dos part\u00edculas, en la que una es destruida. En la segunda, una part\u00edcula de materia oscura se cruza con una part\u00edcula ordinaria, sin interactuar con ella. (cr\u00e9ditos: https:\/\/www.symmetrymagazine.org\/article\/speak-physics-what-is-a-cross-section)<\/p>\n

Prohibido tocar<\/strong><\/p>\n

Cuando dos part\u00edculas interact\u00faan, uno de los par\u00e1metros m\u00e1s importantes es la secci\u00f3n eficaz de colisi\u00f3n. Al igual que en las animaciones anteriores, podemos imaginar que las dos part\u00edculas son bolas de billar. Cuando tiramos una contra otra, no es necesario que choquen frontalmente, puesto que, aunque choquen lateralmente, eso basta para iniciar el movimiento. Cuanto m\u00e1s grande sean las bolas, m\u00e1s f\u00e1cil es que impacten. El \u00e1rea efectiva en el que pueden impactar es la secci\u00f3n eficaz, y se define de forma an\u00e1loga para la interacci\u00f3n de part\u00edculas.<\/p>\n

En sistemas muy dominados por materia oscura, como el C\u00famulo de galaxias de la Bala, se observa que estas part\u00edculas apenas interact\u00faan entre ellas. Este c\u00famulo en realidad son dos c\u00famulos chocando, y podemos distinguir tres componentes: objetos compactos, como las estrellas, objetos difusos, en forma de gas (que, en t\u00e9rminos de masa, forma la mayor parte), y la materia oscura, medida por efecto de lente gravitacional, consistente en la deflexi\u00f3n de la luz de galaxias al fondo al atravesar la enorme masa de materia oscura que hay entre ellas y nosotros.<\/p>\n

Lo que se observa es que las estrellas no chocan entre s\u00ed (es muy improbable que se produzca este tipo de colisi\u00f3n), pero el gas de ambos c\u00famulos interact\u00faa entre s\u00ed y se frena, calent\u00e1ndose por fricci\u00f3n y emitiendo en rayos X. Sin embargo, ambas componentes de materia oscura, cada una de un c\u00famulo, se atraviesan sin apenas modificar su movimiento, es decir, \u201cno se ven\u201d. Esto quiere decir que pr\u00e1cticamente no interact\u00faan, como s\u00ed hace el gas.<\/p>\n

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C\u00famulo de la Bala. A la izquierda, imagen superpuesta del gas caliente (rosa) y fr\u00edo (azul). A la derecha, mapa de distribuci\u00f3n de masa. En rojo, el gas caliente; en azul, gas fr\u00edo, y las l\u00edneas verdes son contornos de densidad de materia oscura. Se observa c\u00f3mo la materia oscura se ha atravesado manteniendo la estructura radial de cada c\u00famulo de forma independiente, mientras que el gas ha interactuado al chocar ambos c\u00famulos (cr\u00e9ditos -https:\/\/arstechnica.com\/science\/2015\/03\/colliding-galaxy-clusters-offer-stongest-case-yet-for-dark-matter\/ https:\/\/physics.stackexchange.com\/questions\/48727\/does-conformal-gravity-explain-the-bullet-cluster-lensing-effects)<\/figcaption><\/figure>\n


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Cuanta menor sea la masa de estas part\u00edculas, mayor debe ser su n\u00famero para dar cuenta de ese 25% de contenido en energ\u00eda del Universo. Sin embargo, cuantas m\u00e1s part\u00edculas haya, mayor ser\u00e1 tambi\u00e9n la probabilidad de que interact\u00faen entre ellas en zonas de alta densidad de materia oscura, siendo necesario un compromiso entre la secci\u00f3n eficaz y la masa.<\/p>\n

En general, se dice que la materia oscura es pr\u00e1cticamente \u201ccollisionless\u201d, es decir, que no experimenta colisiones. Esto, a su vez, implica que su recorrido libre medio (la distancia media que puede recorrer una part\u00edcula antes de sufrir una interacci\u00f3n que altere su trayectoria) sea enorme.<\/p>\n

Sobrevivir\u00e9<\/strong><\/p>\n

Una de las mayores fuentes de informaci\u00f3n sobre la abundancia de materia oscura es el fondo c\u00f3smico de microondas (Cosmic Microwave Background \u2013 CMB). Sin entrar en detalles, este fondo es nuestra primera fotograf\u00eda del Universo, cuando ten\u00eda 380.000 a\u00f1os (un 0.003% de su edad actual), al dejar de ser opaco. A pesar de ser el mejor cuerpo negro (emisor t\u00e9rmico ideal) del Universo, exacto en una parte por mill\u00f3n, experimentos como WMAP o Planck nos permiten medir sus anisotrop\u00edas. Para ajustar los datos con un modelo te\u00f3rico, \u00e9ste debe contener necesariamente una componente de materia oscura.<\/p>\n

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Anisotrop\u00edas del CMB. Los datos medidos por la sonda WMAP son los puntos rojos. Las distintas curvas implican distinto contenido de materia oscura. La curva superior asume que no existe materia oscura, con un pobre ajuste a los datos, mientras que la l\u00ednea continua asume la proporci\u00f3n de \u039bCDM, con un excelente acuerdo (cr\u00e9dito – https:\/\/ned.ipac.caltech.edu\/level5\/March10\/Garrett\/Garrett3.html).<\/figcaption><\/figure>\n

Adem\u00e1s, en otras mediciones del Universo actual, como en las curvas de rotaciones de las galaxias, seguimos viendo el efecto de la materia oscura. En este caso, se mide la velocidad de rotaci\u00f3n de las estrellas de una galaxia y se observa que, en lugar de caer como se esperar\u00eda por gravitaci\u00f3n Newtoniana, la velocidad es aproximadamente constante al alejarnos del centro. Esto indica que existe mucha m\u00e1s materia de la que vemos en forma visible.<\/p>\n

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Curva de rotaci\u00f3n de NGC 3198. Seg\u00fan la 3\u00aa ley de Kepler, esperar\u00edamos que las estrellas rotaran seg\u00fan la curva \u201cdisk\u201d. Sin embargo, las medidas (puntos negros) indican que la distribuci\u00f3n de velocidades es plana. Esto indica la existencia de una segunda componente, la curva \u201chalo\u201d de materia oscura, que se suma a la \u201cdisk\u201d. (Cr\u00e9dito – http:\/\/physicsanduniverse.com\/galaxy-rotation-curve-dark-matter\/).<\/figcaption><\/figure>\n

Ambos efectos nos llevan a discutir la estabilidad de la materia oscura, como la de muchas part\u00edculas. Por ejemplo, el neutr\u00f3n tiene una vida media de unos 15 minutos, y todos aquellos neutrones en el Universo primitivo que no formaron un \u00e1tomo estable al cabo de esos 15 minutos se desintegraron.<\/p>\n

Si la materia oscura no fuera estable y se desintegrara r\u00e1pidamente, podr\u00edamos ver su influencia en el CMB pero no en las curvas de rotaci\u00f3n de nuestros d\u00edas. Al contrario que el neutr\u00f3n, no puede formar \u00e1tomos ya que no siente la fuerza nuclear fuerte. Esto indica que, sea lo que sea, debe ser una part\u00edcula estable y sobrevivir hasta nuestros d\u00edas, con una vida media al menos igual a la edad del Universo (13.800.000.000 a\u00f1os).<\/p>\n

Uno de los primeros candidatos a materia oscura fueron los neutrinos, ya que son part\u00edculas masivas (pero muy poco), sin carga, casi no interactuantes y estables. Lamentablemente al tener tan poca masa su velocidad es demasiado alta, y no cumplen la condici\u00f3n de \u201cfr\u00edos\u201d. Adem\u00e1s, la abundancia inferida, por ejemplo a partir del CMB, es una \u00ednfima parte de la necesaria para dar cuenta de toda la materia oscura.<\/p>\n

En resumen, aunque a d\u00eda de hoy no tengamos ni una remota idea de la masa o secci\u00f3n eficaz de la materia oscura, ni siquiera si es una part\u00edcula (existen otras teor\u00edas alternativas como por ejemplo que est\u00e1 constituida por los agujeros negros primordiales), s\u00ed que tenemos una serie de fuertes requisitos, que cualquier nueva teor\u00eda que intente explicar la materia oscura deber\u00e1 cumplir.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Por Javier Coronado Bl\u00e1zquez (Investigador Predoctoral en el IFT UAM-CSIC) El llamado modelo cosmol\u00f3gico est\u00e1ndar \u039bCDM es uno de los grandes logros cient\u00edficos y conceptuales de la Humanidad. Es un modelo enormemente exitoso, que parte de la Relatividad General de Einstein e introduce una forma de energ\u00eda oscura como una constante cosmol\u00f3gica (\u039b), que supone aproximadamente el 70% del contenido energ\u00e9tico del Universo, y una componente de materia oscura fr\u00eda (Cold Dark Matter \u2013 CDM), que da cuenta de un 25%. S\u00f3lo el 5% restante es lo que vemos en forma de luz y materia. Aqu\u00ed vamos a intentar entender\u2026<\/p>\n","protected":false},"author":201,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"ngg_post_thumbnail":0},"categories":[7197],"tags":[],"blocksy_meta":{"styles_descriptor":{"styles":{"desktop":"","tablet":"","mobile":""},"google_fonts":[],"version":4}},"aioseo_notices":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/fisicateorica\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/543"}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/fisicateorica\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/fisicateorica\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/fisicateorica\/wp-json\/wp\/v2\/users\/201"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/fisicateorica\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=543"}],"version-history":[{"count":9,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/fisicateorica\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/543\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":552,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/fisicateorica\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/543\/revisions\/552"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/fisicateorica\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=543"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/fisicateorica\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=543"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/fisicateorica\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=543"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}