domingo, 19 de septiembre de 2010

Lo claro de la materia oscura

Entre los muchos cambios que sucedieron en el renacimiento está el inicio del uso de las matemáticas para describir la naturaleza. Las tendencias y cambios del mundo natural has sido, desde entonces, expresados en términos matemáticos, lo cual ha permitido entenderlos a mucho mayor profundidad. Esto llevó a considerables logros, entre ellos la explicación y predicción de fenómenos naturales, lo que constituye uno de los principales triunfos del renacimiento.


El sistema binario Sirio, sirio A es la estrella principal, la brillante a la izquierda y Sirio B su pequeña compañera. Este es un ejemplo de sistema donde se puede saber la masa de un cuerpo sabiendo la del otro y el tiempo que tarda en orbitarlo.

Entre otras cosas, la astronomía se benefició de la combinación de leyes de Newton y Kepler para lograr una serie de herramientas muy fuertes con las que se pueden hacer un sin fin de cosas interesantes, como por ejemplo calcular la masa de un objeto orbitante conociendo la masa del objeto orbitado y el periodo de la órbita (cuanto tiempo tarda el orbitante en dar una órbita entera). Por ejemplo, si se determina la masa de una estrellas, lo cual se puede hacer en base a su brillo y distancia, y se sabe que algún planeta tarda, digamos 2 años en completar una órbita en torno a ella, entonces podríamos saber la masa del planeta. Determinar la duración de la órbita de un cuerpo es muy sencillo, basta con estarlo observando y medir el tiempo que le toma regresar a su lugar de origen.


Gráfica de la órbita aparente (proyección de la órbita en el cielo) de sirio B con respecto a sirio A. La posición de la pequeña estrella se ve en cada fecha y de esta manera se puede calcular la masa.

Con esta herramienta, los astrónomos fueron calculando masas por todo el universo con gran éxito, en algunas ocasiones corroborando los resultados con otro métodos y esto demostraba la utilidad y veracidad del uso combinado de las leyes de Newton y Kepler. Por supuesto, se necesitaban de métodos alternos para medir la masa y así se desarrollaron, métodos para determinar masas de estrellas, de nebulosas, de galaxias, etc. En particular nos interesan los métodos para medir la masas de galaxias.


Ecuación, producto de Newton y Kepler que involucra a la distancia media orbital (a) el periodo de la órbita (P) y las masas (M1 y M2), conociendo tres de estos cuatro datos se puede obtener el restante. G es la constante gravitacional.

La masa de una galaxia no es fácil de determinar por una razón muy sencilla, lo que ves de la galaxia, son las estrellas y parte de las nebulosas, pero no los planetas, cometas, asteroides, ni prácticamente todo el gas y polvo que contiene. Entones ¿como determinar la masa de la galaxias si solo ves una parte de ella? La solución fue hacer un censo en nuestra galaxia, es decir, ver el espacio cercano y medir cuantos kilos (o gramos mas bien) de cometas, planetas, polvo, gas, asteroides, lunas, etc etc hay en promedio por cada tonelada de estrella, de esta manera, al ver cuantas estrellas y de que masa contiene una galaxia lejana, se puede determinar cuantos gramos debemos sumarle para considerar los planetas, cometas y demás cosas que no emiten luz y que no estamos viendo. Este tipo de consideraciones es perfectamente válido, por que al tomar promedios y estadísticas lo mas amplias posibles, se elimina cualquier consideración que se ha de tener por tratar casos particulares, es decir, al composición en la vecindad de nuestra estrella puede ser única, pero al promediarla con la de muchas estrellas mas nos cercamos a valores aplicables a la "estrella promedio". Ahora, esto serviría también para estimar la masa en un sector de una galaxia, por ejemplo, en los 10,000 años luz mas centrales en el disco, o los 20,000 de mas adentro. Esto se haría tomando en cuanta la luz de las estrellas encerradas por esas 10,000 o 20,000 años luz. Pero de igual manera se podrían considerar estrellas justo a esa distancia y ver cuanto tardan en dar una órbita, o lo que es lo mismo, medir su velocidad. Y aquí es donde las cosas salieron mal. La masa estimada por un método era diferente a la masa estimada por el otro.

Resultó que la masa calculada usando las leyes de Newton y Kepler era superior a la estimada considerando a luz de las estrellas en la galaxia. Es decir, las estrellas se movían tan rápido en sus órbitas que deberían de salir volando lejos de la galaxia. Y esto se repitió no solo en la Vía Láctea sino en cuanta galaxia se midió. Por lo tanto, no podía ser que TODAS las galaxias se estuvieran despedazando con sus estrellas escapando, o ya no habría galaxias, lo que dejó solo una explicación posible; existe materia que estamos tomando en cuenta, lo que implicaría una fuerza de gravedad mayor y así las estrellas podrían ir en sus órbitas a esas velocidades sin escaparse de la galaxia. Es decir, sería como si alguien desde muy lejos midiera la masa del sistema solar considerando el movimiento de Plutón y aparte usando el brillo del Sol, y viera que Plutón orbita tan rápido que esta forzado a concluir que no basta con la gravedad de la masa del Sol para evitar que Plutón escape y que por lo tanto debe de existir mas masa que no se ve. Esta masa que no se ve en las galaxias y que evita que las estrellas salgan volando es la materia oscura. Materia por que ejerce gravedad y oscura por que no emite luz.


Discrepancia entre las velocidades orbitales que deberían tener las estrellas según la masa estimada de la galaxia (A) y la medida (B).

Así que la gran pregunta es ¿Que es la materia oscura? sabemos que es una fracción muy importante de la materia total del universo, de hecho existe mas materia oscura que normal. Pero ya se consideraron, planetas (de hecho se les dio un porcentaje mayor al descubrirse todos los nuevos planetas extrasolares). cometas, asteroides y cuanto objeto se puedan imaginar. Sin embargo aun se ve esa diferencia en las mediciones.


Mapa de las regiones ricas en materia oscura en un sector del universo cercano, sabemos donde está y cuanta existe, no sabemos que és.

Hasta el momento, la naturaleza de la materia oscura sigue siendo un misterio y unos de los principales problemas aun por resolver en la física.



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