Los astrónomos se encuentran todavía en una fase inicial en lo que respecta a las cuestiones relativas a la naturaleza y las propiedades de la materia oscura.
La teoría sobre la existencia de esta sustancia fuepropuesto hace más de 40 años como explicación de la discrepancia entre la masa de todos los objetos visibles en una galaxia y la masa de la propia galaxia. La astrónoma Vera Rubin, quien descubrió por primera vez la discrepancia, determinó que esta sustancia invisible es extremadamente común y constituye la mayor parte del Universo. Hoy conocemos esta sustancia como materia oscura.
Vera Rubin. Foto: Institución Carnegie para la Ciencia / carnegiescience.edu
Aunque los astrónomos tienen al menos tresevidencia de que la materia oscura existe, ninguno de los intentos de detectar evidencia directa de su existencia y de determinar sus propiedades no tuvo éxito.
Sin embargo, el trabajo de científicos de la Universidad de Yale enDirigido por Peter van Dokkum, publicado en la revista Nature en marzo de 2018, los científicos, más que nunca, acercaron a los científicos a encontrar otra prueba más de la existencia de esta sustancia.
¿Qué saben los astrónomos sobre la materia oscura?
La materia oscura es una sustancia que no es.Interactúa con otros asuntos mediante fuerzas electromagnéticas (EM) o fuerzas nucleares fuertes. La ausencia de interacciones electromagnéticas significa que no puede emitir, absorber, reflejar, refractar o difundir la luz. Esto, por supuesto, lo convierte en un tema bastante complicado para la observación. Sin embargo, alrededor del 85% de toda la materia en el universo es materia oscura.
Hasta ahora, los científicos no tienen evidencia práctica de que la materia oscura realmente exista, pero sí hay teorías. Aquí están los tres principales.
Curvas de rotación galáctica
Cuando un objeto gira alrededor de otro,un objeto en órbita debe acelerarse constantemente hacia el centro (o, más precisamente, ambos aceleran hacia su centro de masa combinado). Sin esta aceleración, el cuerpo orbital simplemente volará lejos.
Cuanto más rápido se mueve el cuerpo orbital,Se requiere más aceleración para mantenerla en órbita. Dado que en este caso la aceleración se debe a la gravedad, esto significa que la masa central debe ser más grande.
Este conocimiento permite a los científicos "pesar" diferentespartes de la galaxia, además de medir las velocidades de rotación, comparando los desplazamientos al rojo en los lados que se aproximan y retroceden de la galaxia. Al ponderar, los astrónomos ven una discrepancia entre la masa de todos los objetos en la galaxia y su masa total.
Desplazamiento al rojo— desplazamiento de líneas espectrales de elementos químicoshacia el lado rojo (longitud de onda larga). Este fenómeno puede ser una expresión de dispersión difusa débil, efecto Doppler o corrimiento al rojo gravitacional, o una combinación de estos. El desplazamiento de las líneas espectrales en los espectros de los cuerpos celestes fue descrito por primera vez por el físico francés Hippolyte Fizeau en 1848 y propuso el efecto Doppler causado por la velocidad radial de la estrella para explicar el desplazamiento.
Lente gravitacional
Según la teoría general de la relatividad, cualquierel tiempo que pasa a través del campo gravitatorio está ligeramente distorsionado. Actúa como una lente gravitacional y puede producir, por ejemplo, "anillos de Einstein", como en la imagen de abajo.
La Teoría General de la Relatividad de Einsteinque la gravedad de objetos tan grandes como las galaxias dobla el espacio a su alrededor y desvía los rayos de luz. Cuando esto ocurre, una imagen distorsionada de otra galaxia - la fuente de luz.
El "Anillo de Einstein" en la imagen de arriba esImagen distorsionada de una galaxia (está resaltada en azul), ubicada detrás de la otra galaxia (roja) en el centro. La luz del azul se propaga en todas las direcciones, pero se dobla por la gravedad de una galaxia roja. Esto significa que la luz, que, por ejemplo, originalmente fue dirigida directamente a la Tierra, nunca alcanzará nuestro planeta, a diferencia de la luz, que tenía una dirección diferente, pero fue distorsionada por una lente y procede de todas direcciones al mismo tiempo. Este proceso explica la apariencia del anillo.
En lentes gravitacionales débiles, estadísticoAnalizar las distorsiones en la luz que recibimos nos permite “notar” el campo gravitacional entre la Tierra y las galaxias distantes. A menudo hay más masa (y por tanto más materia) en este campo de la que los científicos pueden explicar.
Un ejemplo de lente gravitacional, que desde el punto de vista de la teoría existente demuestra la presencia de materia oscura, es una fotografía del cúmulo de galaxias Bullet, ubicado en la constelación de Carina.
La imagen muestra las consecuencias de la colisión de dos galaxias. El rojo de la imagen muestra áreas de materia visible, el azul muestra materia oscura, cuya presencia está determinada por lentes gravitacionales.
Esta distinción se debe al hecho de queLa mayor parte de la materia luminosa en un cúmulo de galaxias se encuentra en un medio introspectivo, en un plasma denso y caliente. Cuando partes del plasma chocan entre sí, una cantidad significativa de la sustancia disminuye su velocidad y permanece en el centro. Pero la materia oscura interactúa débilmente con la materia, por lo que sus componentes de los dos grupos pueden pasar libremente entre sí, lo que lleva a la separación que se muestra en la foto.
Radiación reliquia
Durante los primeros cientos de miles de años despuésEn el Big Bang, el universo estaba lo suficientemente caliente como para volverse altamente ionizado. Esto lo hizo temporalmente casi opaco a la luz: los fotones giraban como cualquier otra partícula. Sin embargo, cuando las cosas se enfriaron lo suficiente, cantidades significativas de protones y electrones se combinaron para formar hidrógeno neutro, que se volvió lo suficientemente transparente para la mayor parte de la luz que lo rodeaba. Este proceso ocurrió bastante rápido (en términos de tiempo cosmológico); como resultado, toda la luz contenida en el Universo, relativamente hablando, se liberó repentinamente, tomando una fotografía de esa etapa de su evolución. Ésta es una forma simplificada de describir la radiación cósmica de fondo de microondas.
Para detectar esta luz, los científicos puedenApunte los radiotelescopios en cualquier dirección y, dependiendo del área de observación, la temperatura cambiará ligeramente. La diferencia de temperatura se explica por la presencia o ausencia de materia oscura en esta región.
¿Qué se encuentra inusual en la primera galaxia?
DF2 es una galaxia que forma parte de un gran grupoliderada por la masiva galaxia elíptica NGC 1052. La galaxia llamó la atención de los científicos porque se veía diferente en las fotografías tomadas por Dragonfly and Sloan Digital Sky Survey (SDSS). En el primero, la galaxia aparecía como un punto de luz tenue, mientras que en el segundo era un grupo de objetos puntuales.
Basándose en estas observaciones, los científicos dirigidos porPeter van Dokkum identificó diez cúmulos globulares (grandes grupos de estrellas viejas) dentro de la galaxia y descubrió que se mueven tres veces más lento que si hubiera mucha materia oscura. El hecho es que si la masa de la galaxia fuera mayor que la masa de los objetos visibles, los cúmulos rotarían más rápido.
La comunidad científica valoró críticamente la publicación— El error de los investigadores fue que observaron sólo diez grupos y sólo durante dos noches. Los escépticos creían que los científicos podrían haber pasado por alto detalles clave sobre el movimiento de los cúmulos de estrellas, lo que resultó en que sus estimaciones de la masa de la galaxia y la materia visible estuvieran sesgadas.
¿Y en el segundo?
La única manera de probar la exactitud de susLa observación fue la búsqueda de una segunda galaxia, que contendría la cantidad mínima de materia oscura, y en marzo de 2019 se descubrió tal galaxia.
Los investigadores publicaron dos artículos científicos - enFueron los primeros en volver a medir la masa de DF2 utilizando la cámara avanzada del Hubble y el telescopio de 10 metros del Observatorio Keck en Hawaii. Esta vez los astrónomos observaron no sólo la velocidad de movimiento de los cúmulos, sino también la velocidad de rotación de las estrellas en su interior. Como resultado, los científicos han descubierto que DF2 es una galaxia ultradifusa transparente, cuyo tamaño es aproximadamente el mismo que el de la Vía Láctea. Sólo que en él había unas 200 veces menos estrellas.
El segundo artículo fue dedicado al descubrimiento de talesGalaxias DF2: DF4, que se encuentra en el mismo grupo junto a la galaxia NGC 1052. Los investigadores creen que, en primer lugar, las galaxias con una cantidad mínima de materia oscura no son infrecuentes y, en segundo lugar, que una gran galaxia podría "robar" la oscuridad La materia de sus vecinos más pequeños.
¿Cómo puede la ausencia de materia oscura ser evidencia de su existencia?
Para entender la afirmación de que la ausencia de un oscuroLa materia en dos galaxias confirma su presencia en el universo de acuerdo con la Teoría General de la Relatividad, vale la pena considerar la crítica de la idea de la presencia de la materia oscura.
Algunos científicos no están de acuerdo en que en el universohay materia oscura, y la evidencia teórica de su presencia se atribuye a las llamadas dinámicas newtonianas modificadas (MOND). Esta teoría alternativa dice que la gravedad en una escala cósmica no funciona como lo predijeron Isaac Newton o Albert Einstein. Esto significa que la teoría general de la relatividad, sobre la cual se construyen las teorías sobre la existencia de la materia oscura, no funciona en el caso de las galaxias.
Por ejemplo, el físico teórico Erik Verlinde deLa Universidad de Ámsterdam publicó un artículo científico en 2016 que examinaba la gravedad como un subproducto de las interacciones cuánticas y sugería que la gravedad adicional atribuida a la materia oscura es un efecto de la energía oscura, energía de fondo entretejida en el tejido del espacio-tiempo del Universo.
En otras palabras, Verlinde cree que la materia oscura no es materia, sino sólo una interacción entre la materia ordinaria y la energía oscura.
Descubrimiento de científicos de la Universidad de Yaledemuestra que la materia oscura puede separarse de la materia ordinaria, siempre que las dos galaxias detectadas se comporten de acuerdo con la teoría estándar de la gravedad. Es decir, los procesos que ocurren en ellos pueden explicarse usando las ecuaciones descubiertas por Newton y Kepler.
Cuales son las preguntas
Descubrimiento por parte de los astrónomos, si tiene éxitoconfirmado de manera concluyente a través de futuras observaciones, desafía la teoría existente sobre la formación de galaxias. En particular, estamos hablando de la suposición de que NGC 1052, de mayor tamaño, podría “robar” materia oscura de DF2 y DF4. Si esto es realmente posible, siempre que se mantenga el orden observado en ambas galaxias observadas, los astrónomos tendrán que reconsiderar completamente el mecanismo de su formación y existencia.
"Esperamos descubrir qué tan comúnEstas galaxias y si existen en otras áreas del universo. Queremos encontrar más evidencia que nos ayude a comprender cómo sus propiedades son coherentes o no con nuestras teorías actuales. Esperamos que esto nos permita dar otro paso para comprender uno de los misterios más grandes de nuestro universo: la naturaleza de la materia oscura ”, dijo Dokkum en una conversación con Astronomy.