La historia de la materia oscura

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 Zwicky usó 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.

Fuente: Astronomy Picture of the Day (2008 September 17 y 2008 August 23).

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 la densidad de la Vía Láctea y observó que el 40% era debido a las estrellas y el resto a algún gas desconocido. Zwicky (1933) estudió las velocidades de las galaxias en el cúmulo galáctico de Coma y encontró que la masa de dichas galaxias era 100 veces menor de lo necesario para explicar sus velocidades. Acuñó el término “materia oscura” para denominar a las galaxias enanas (no visibles) y al gas intergaláctico responsable del 99% de la masa del cúmulo de Coma. Sinclair Smith (1936) encontró un resultado similar en el cúmulo galáctico de Virgo.

Mucha gente cree que Zwicky descubrió la materia oscura gracias a las curvas de rotación de las estrellas alrededor de galaxias, pero no fue así. Las primeras fueron medidas por Horace Babcock (1939) para Andrómeda (M31), Mayall y Aller (1940) para la galaxia del Triángulo (M33) y Oort (1940) para la galaxia de Spindle (NGC 3115). Observaron que conforme nos alejamos del centro galáctico la velocidad radial de las estrellas se mantiene casi constante en lugar de descender, como se esperaría en una distribución de materia en forma de disco. Parecía como si la masa de la galaxia estuviera distribuida en forma esférica. En 1940 el efecto observado era pequeño y no fue asociado con la “materia oscura” de Oort y Zwicky (salvo en el artículo del propio Oort).

Tras la II Guerra Mundial, solo Zwicky y Oort reivindicaban la existencia de la “materia oscura.” Los datos sobre la “masa perdida” en los cúmulos de galaxias se acumularon durante los 1950, aunque su interpretación generó muchas dudas (los errores en las medidas eran muy grandes). El descubrimiento de la radiación cósmica de fondo de microondas en los 1960 fue el espaldarazo definitivo para la teoría de la gran explosión (big bang). Su gran isotropía fue un problema ya que la materia “ordinaria” (bariónica) no podía explicarla. Ya en 1972 se creía que debía existir materia no bariónica en el universo y se propusieron varios posibles candidatos, como los neutrinos, agujeros negros primordiales, singularidades en el espaciotiempo, etc. Muy pocos investigadores se acordaron de la “materia oscura” de Oort y Zwicky.

La “materia oscura” empezó a ser aceptada gracias a las curvas de rotación galáctica que mostraban que la velocidad de las estrellas no decrece conforme nos alejamos del centro galáctico. Entre 1961 y 1974 se midieron estas curvas para muchas galaxias, pero la medida era difícil y los resultados eran contradictorios. Son famosas las medidas de Rubin y Ford (1970) para M31 (Andrómeda) y el artículo de Einasto, Kaasik y Saar (1974). Vera Rubin es considerada la descubridora oficial de las “curvas planas” de rotación galáctica. Todo indicaba que las galaxias tenían un halo de “materia oscura” pero hasta el artículo teórico de Ostriker y Peebles (1973) no se descubrió que este halo de “materia oscura” era necesario para estabilizar las galaxias. Ozernoy (1974) propuso que también era necesario para estabilizar los cúmulos galácticos. El artículo definitivo que encumbró a la materia oscura como parte íntegra de la astrofísica moderna fue el de Einasto, Saar, Kaasik y Chernin en Nature en 1974 (“Missing mass around galaxies: morphological evidence”).

Durante los 1980 la teoría de la inflación cósmica de Guth (1981) y Linde (1982) llevó a los cosmólogos a pensar que el universo era plano (tenía una densidad crítica Ω=1). Faltaba materia bariónica en el universo ya que la nucleosíntesis de los elementos solo permitía una contribución a W menor o igual que 0’15.”. Tampoco había suficiente materia oscura. Se empezó a reivindicar un valor no nulo de la constante cosmológica o algún tipo de “energía oscura” (se le llamaba quintaesencia). Tampoco se sabía si la materia oscura era fría (WIMPs, MACHOs, etc.) o caliente (neutrinos, etc.) o incluso si la había de ambos tipos. Hubo que esperar a las medidas de las anisotropías del fondo cósmico de microondas obtenidas por el satélite COBE (lanzado en 1989) publicadas en 1992 y 1993.

El modelo del universo llamado “Λ CDM” (con materia oscura fría y constante cosmológica no nula) nació en Kofman et al. (1993). Las medidas de COBE no permitieron determinar si el universo era plano (Ω=1). Había que estudiar si la expansión cósmica se estaba desacelerando. Dos grupos emprendieron un estudio de supernovas tipo Ia para comprobarlo, descubriendo que la expansión cósmica se estaba acelerando. Nació la energía oscura y el modelo “Λ CDM” gracias a los datos del fondo cósmico de microondas del satélite WMAP (lanzado en 2001) quedó confirmado como modelo cosmológico de consenso.

Todavía no sabemos lo que es la materia oscura pero sabemos que existe y como influye en la formación de galaxias, cúmulos galácticos y otras grandes estructuras del universo. Hay en curso decenas de experimentos que buscan la materia oscura con tesón tanto de forma directa como indirecta. Nadie duda de que en la próxima década se desvelará el gran secreto descubierto por los pioneros Jeans (1877-1946), Kapteyn (1851-1922), Sinclair Smith (1899-1938), Oort (1900-1992) y Zwicky (1898-1974). Y todos deseamos que Vera Rubin (1928-) aún viva para cerebrarlo.

23 Comentarios

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miguelmiguel

Muy interesante el artículo, aunque no he entendido gran parte, un poco técnico para mí todo eso de W.
Una pregunta, yo no sé del tema pero (frase que siempre precede a una afirmación categórica y sin fundamento) ¿No es precipitado afirmar que en 10 años se desvelará el secreto? En la década de los 20 y 30 muchos físicos pensaban que en 10 años habrian terminado de descubrir toda la física del universo. Igual que hace 10 años se pensaba que tras la secuenciación del genoma humano en 10 años tendríamos hombres a la carta.

rafa espadarafa espada

No te preocupes… aunque tengáis la respuesta al secreto… os surgirán otra media docena de incógnitas!!! y estaréis igual.

Los humanos desconocéis todavía gran parte de lo que os rodea.

beep beep!!!

dandan

Pudiera ser probable que al último elemento de la Tabla Periódica de los elementos le siguieran elementos de vida lo suficientemente prolongada como para decir que se trataría de una “nueva isla de estabilidad”. Quizás las propiedades de estos supuestos elementos explicarían la incógnita de la materia osura, sin mencionar que también pudiera ser probable que los centros galácticos tuvieran como norma un agujero negro proporcional a la dimensión y tipo de galaxia en cuestión. Parece ser que el centro de “nuestra” Vía Láctea alberga uno

PabloPablo

Según los modelos cosmológicos, la “materia oscura” es materia no bariónica, que no interacciona electromagnéticamente (por eso no se ve), lo que significa que no puede estar compuesta de materia “ordinaria” como protones, neutrones, electrones…
Por lo tanto, elementos superiores de la tabla periódica no resolverían el problema, al menos con los datos que disponemos en la actualidad.
Por lo demás, el hecho de tener un agujero negro en el centro de la galaxia no soluciona el problema, ya que se trata de una distribución que envuelve a las galaxias y cúmulos.
¿Posibles soluciones? Van desde las más sencillas como partículas supersimétricas a dimensiones extra (lo que haría que la gravedad pierda energía a distancias grandes) o modificaciones en la Relatividad General… los experimentos nos lo dirán.

PacoPaco

Un par de apuntes:

– La existencia de materia oscura no está confirmada, como afirmas el principio. Se trata de una hipótesis (la más aceptada, de hecho) para explicar curvas de rotación, movimientos de cúmulos de galaxias, etc. No ha habido, hasta la fecha, detección directa (no hemos visto las partículas de la que estaría hecha) ni indirecta clara (restos de su desintegración, fenómenos de lente gravitatoria). De hecho, hay otras alternativas. Unas suponen modificaciones de la Relatividad General y/o de su límite Newtoniano, como las teorías MOND, otras la presencia de campos magnéticos galácticos. En mi opinión, hay un riesgo elevado de que la matería oscura sea el éter de nuestros tiempos. Pero ya se verá.

– Cuando dices “conforme nos alejamos del centro galáctico la velocidad radial de las estrellas se mantiene casi constante en lugar de descender”, no se trata de la velocidad radial sino de la angular, hasta donde yo sé.

Saludos.

Ciudadano CualquieraCiudadano Cualquiera

Magnífico artículo. No tenía ni idea de que la idea de la materia oscura apareciese hace casi un siglo!

Para los que, como yo, no tengan mucha idea de física les invito a mirar este artículo que lei hace tiempo sobre la materia oscura y el tamaño del universo y que me dejó muy sorprendido.

http://lacomunidad.elpais.com/apunte...el-universo

David

¿Alguien me podría dar su opinión acerca de este artículo? No sé nada sobre cosmología, pero en mi ignorancia encuentro que plantea dudas razonables sobre algunas de las cosas que se afirman en el post.

http://arxiv.org/abs/1002.3966

El autor es Carlo Rovelli, cosmólogo investigador en temas de gravedad cuántica.

Rashid

David, yo, en mi limitado conocimiento del tema, siempre he estado de acuerdo en que la introducción de una contante en las ecuaciones de Einstein es solo un parche por no disponer de ecuaciones definitivas, parche con el cual hoy día aun seguimos cargando. El uso de dicha constante es solo para que los resultados ajusten y no hay justificación real, por eso me parece que las conclusiones de los autores son muy buenas y no mas motivan a seguir investigando.

dandan

Sr. Rafa Espada, por el acento: ¿evangélico predicador, del sur o del norte?

Francis

David, en mi blog tienes un comentario sobre el artículo de Eugenio Bianchi y Carlo Rovelli que comentas.

miguel, “¿No es precipitado afirmar que en 10 años se desvelará el secreto?,” diez años es solo una opinión obviamente, pero hay que tener en cuenta que toda la evidencia apunta a que la materia oscura son partículas con una masa menor de 1 TeV y en los próximos 10 años el LHC explorará dicha escala de energías con enorme detalle. Si la materia oscura es una partícula elemental será descubierta en el LHC. Si no es una partícula elemental, hay en curso más de 30 experimentos de búsqueda indirecta (nunca ha habido tantos) que nos ofrecerán muchísima información sobre la materia oscura (p.ej. el satélite Planck en 3 años nos ofrecerá detalles sobre la materia oscura que ahora no podemos ni imaginar).

En mi opinión es difícil que la “oscuridad” de la materia oscura no sea desvelada en los próximos 10 años. Pero, es obvio, es una opinión.

JorgeJorge

Buen artículo, Francis =)

Oye, ¿cómo es eso de que las galaxias son esféricas (si contamos toda la materia, no sólo la visible)? Quiero decir, ¿cómo rota? ¿Cómo son las órbitas de los cuerpos que están cerca de “los polos”?

edgaredgar

pues ojala lo del LHC funcione.

estoy diacuerdo con paco. el eter antes parecia ser la explicacion mas ovia del medio de propagacion de las ondas electromagneticas. despues llego la relatividad y el esperimento morley y michelson. y murio el eter.

hay que tener cuidado con la dark mater.

ManuManu

Parece ser que la tendencia a la superioridad del ser humano nos ha cegado, al igual que viene sucediendo hace mucho tiempo…
Pienso que va a ser muy difícil desvelar los misterios que nos quedan por descubrir con la mentalidad que tenemos ahora… Calificamos de absurdo todo aquello que no podemos explicar, cerramos nuestra mente a prácticamente todo lo que salga de nuestra línea de conocimiento, o lo que altere de algún modo o ponga de entredicho lo que ya sabemos.
Igual que ocurrió en aquella época no tan lejana en la que se creía que la Tierra era plana, ya que si no era así, el agua se derramaría. Por entonces se desconocía lo que era la Gravedad, y se tachaba de absurda cualquier explicación de ésta, porque claro, ¿cómo lidiar con fuerzas desconocidas y no demostradas?
Creo que nos está ocurriendo lo mismo.
Nos hemos cerrado en lo que nos parece estable y nos alejamos de aquello que pueda destruir las bases en las que nos hemos asentado.
¡Señores, a esta ciencia le hace falta un poco más de ficción!

Juan QuijanoJuan Quijano

mmmm. Se está cayendo en la pseudociencia con respecto a la “Materia Oscura”.

El término materia oscura lo que significa científicamente es “no tenemos ni idea de lo que es”. Cuando se refiere a materia oscura se refiere a el desconocimiento absoluto de la causa de unos efectos que, a día de hoy, no tienen respuesta.

Por lo cual hablar de que la materia oscura ha sido descubierta en tal o cual fecha es erroneo y, leyendo los comentarios, el escritor debería darse cuenta qeu utilizar mal los terminos lleva a la sensación de que existe la susodicha materia oscura cuando esto es totalmente falso.

Por último, las declaraciones de fé no deberían ser parte del lenguaje científico. Eso dejalo a las supercherías religiosas. A lo cual el afirmar que en diez años se va a descubrir es un mero acto de fé, sin niguna base científica para semejante afirmación. ¿Porqué no dentro de un año?¿Porque no dentro de 100?.

No sé, no me gusta el artículo. Apesta a pseudociencia con un titular esotérico.

NachoNacho

No has entendido nada del post. Y en tu ignorancia, acusas a Francis de pseudocientífico (???) Visita su blog, anda.
De la materia oscura, como bien dice el post, hay multitud de evidencias, lo que ocurre es que no se sabe aún de qué está hecha exactamente.
Para que tú lo entiendas. Te levantas una mañana y tienes el cuerpo lleno de picotazos. No sabes si ha sido un mosquito, una pulga o una araña, pero que te ha picado un bicho es seguro. Pues así estamos con la materia oscura, rascándonos los picotazos e intentando saber que tipo de bicho nos los ha hecho.

AshlerAshler

La materia oscura es una presencia hipotética que se utiliza para explicar las enormes incongruencias de gravedad en el movimiento rotacional de sistemas masivos como las galaxias. Las lentes gravitacionales no confirman la presencia de materia oscura sino la distorsión sufrida por la gravedad en esos sistemas. Aunque nadie sabe lo que es, tiene un apoyo mayoritario de los científicos porque buscar otra explicación implicaría reescribir a Einstein y a Newton (utilizando nuevas teorías gravitatorias, por lo menos en escalas masivas). Hasta ahora, aunque nadie sepa lo que es la materia oscura (y su existencia no haya sido directamente comprobada) su inclusión en los modelos conocidos explicaría esas incongruencias en la gravedad, entre otras muchas cosas (como la aceleración de la expansión del universo). Casi siempre, Einstein tenía razón, incluso cuando se equivocaba (constante cosmológica). Pero el universo siempre da sorpresas (sino no se hablaría de teoría M, de 11 dimensiones, ni de universos paralelos…)

Juna MartinJuna Martin

que bueno, me gustaría que se planteara en un futuro la Higgsogénesis como la materia oscura no barionica, muy bueno

santaklaussantaklaus

Se acaba de confirmar la existencia de un halo de materia (no oscura) alrededor de la galaxia de Andrómeda. Su diámetro sería de 2 000 000 de ñaos luz, con lo cual llega casi hasta la mitad del camino que nos separa de M31. Su masa sería de 300 000 millones de masas solares. Es de suponer que todas las galaxias tendrán ese halo. Esto explicaría esa deficiencia de masa que se observa y las curvas rotacionales de las galaxias. Se ha recurrido a materia oscura, pero parece que simplemente es transparente. Por cierto, se ha medido observando la atenuación de cuásares distantes que caen por detrás de M31.

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