Influencias "oscuras" en las galaxias

Einstein y la velocidad de la luz
Créditos: Drew, blog cartoonsidrew
¡Grandes noticias acerca de la materia oscura! Parece ser que las galaxias lejanas giran de manera rara... La ESO publicó esta semana un comunicado de prensa acerca de un artículo publicado en la revista Nature por Reinhard Genzel (Instituto Max Planck de Física Extraterrestre) y colaboradores. El descubrimiento está basado en observacionesde galaxias lejanas, que son en realidad galaxias jóvenes ya que la luz tardó miles de millones de años en llegar hasta la Tierra. Les recuerdo que la luz viaja una velocidad muy alta (c = 300.000 km/s) y no a una velocidad infinita. Por lo tanto, cuando observamos un objeto muy lejano a una distancia d de la Tierra, en realidad lo estamos viendo tal y como era hace t = d/c segundos. Un ejemplo "familiar" de este fenómeno es el retraso con el que nos llega la luz solar a la Tierra.

En este caso d = 150 millones de km. Por lo tanto obtenemos:
t = 150.000.000 km / 300.000 km/s = 500 segundos
t = 500/60 minutos = 8.3 minutos

Esto significa que si por ejemplo el Sol repentinamente explotase (tranquilos, no va a pasar pronto), tardaríamos un poco más de 8 minutos en darnos cuenta. Aplicando este mismo razonamiento, es fácil entonces entender por qué se puede "viajar en el tiempo" al mirar el cielo. Volviendo a las observaciones del señor Genzel y colaboradores, éstos se dieron cuenta de que durante su juventud las galaxias con estructura espiral (como nuestra querida Vía Láctea) no giraban igual que ahora. Pero, ¿qué tiene que ver la materia oscura con esto?

"Los científicos esperan demostrar la existencia
de la materia oscura pronto"
Créditos: www.cartoonaday.com
Para entender la importancia de la materia oscura, conviene definir qué es este misterioso concepto :-) Como su nombre lo indica se trata de materia, ya que ejerce y siente la fuerza de gravedad, pero se la califica de oscura porque no emite ningún tipo de radiación electromagnética. Esto la convierte en un ingrediente extremadamente elusivo del Universo. Sus efectos se manifiestan sobre todo a gran escala y son despreciables en nuestra vida diaria. Sin embargo, es fundamental para entender la evolución y la estructura de nuestro Universo. Los modelos actuales estiman que la materia oscura constituye aproximadamente 20% del contenido total de éste, frente a tan sólo 5% de materia "normal" (o bariónica como la denominan los físicos)**.

La gran pregunta es entonces: ¿cómo se mide la materia oscura? Ya que no emite radiación, la materia oscura se detecta de manera indirecta al ver movimientos "raros" de objetos que sí emiten radiación, como las estrellas de una galaxias por ejemplo. Esto es precisamente lo que hicieron Genzel y colaboradores y observaron algo inesperado... Pero antes de hablar de su descubrimiento, hagamos una pequeña digresión histórica :-)

La astrónoma Vera Rubin
Créditos: NSF
La primera observación que mostró rotaciones anómalas de galaxias la hizo la grandísima Vera Rubin (qepd). Su descubrimiento fue realmente impresionante. Según sus propias palabras, observó "que las galaxias giraban de una manera totalmente inesperada según la leyes de Newton y Kepler". Cuesta entender por qué esta investigadora nunca fue considerada por el comité Nobel... Las leyes de la Física (sin materia oscura) estipulan que la velocidad de rotación de las estrellas de una galaxia alrededor del centro disminuye con la distancia. Sin embargo, Vera Rubin observó que la velocidad de rotación de las estrellas era ¡constante! Los teóricos se dieron cuenta de que agregando materia "oscura" podían reconciliar esta enigmática observación con las leyes de la Física. Este truco tiene implicaciones epistemológicas (filosofía de la ciencia) importantes pero hoy no hablaremos de eso.

En definitiva, la materia oscura explica entonces por qué las partes externas de las galaxias "viejas" giran más rápido de lo que lo harían si estuviesen compuesta sólo por materia ordinaria. Hasta acá, todo bien. Sin embargo, las curvas de rotación de las galaxias "jóvenes" del artículo de Nature son muy sorprendentes: las regiones externas de estas galaxias jóvenes giran más lentamente que las regiones más cercanas al núcleo... como si hubiese menos materia oscura. Esto sugiere que las galaxias jóvenes son dominadas por la materia normal o "bariónica". (Hoy un amigo astrofísico me dijo que existe cierta polémica entre los especialistas sobre la afirmación que la velocidad disminuye con la distancia. Harían falta más datos para que fuesen fiables estos resultados y un análisis más robusto. Les sugiero la lectura en inglés de este artículo si quieren conocer los motivos).

A la izquierda, una galaxia cercana (vieja).
A la derecha, una galaxia lejana (jóven).
Las curvas debajo muestran la velocidad de rotación
de las estrellas de las galaxias en función de la distancia al centro.
El color rosita muestra la concentración de materia oscura:
hay menos materia oscura en las galaxias jóvenes.
Créditos: ESO

Si este resultado es representativo de este tipo de galaxias, entonces podemos emitir la siguiente hipótesis: la materia oscura en el Universo temprano era menos influyente que en la actualidad y tardó miles de millones de años más que la materia "normal" en condensarse para formar estructuras. En el video acá abajo (créditos ESO) pueden ver claramente cómo las partes externas de la galaxia "vieja" (izquierda) giran más rápido que las de la galaxia "joven" (derecha).


Cualquier duda, no duden en dejar un comentario.
¡Saludos galácticos!

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* Con los instrumentos KMOS y SINFONI instalados en el Very Large Telescope (VLT).

** Los modelos cosmológicos actuales basados en las mediciones de la radiación de fondo de microondas (satélite Planck) estiman que los tres ingredientes fundamentales del Universo son los siguientes:
- 5% de materia "normal" o bariónica,
- 20% de materia oscura,
- 75% de energía oscura.
Este último ingrediente es básicamente el responsable de la aceleración del Universo a gran escala. Dado que es una cuestión compleja y que merece una discusión detallada, lo trataré en una futura entrada del blog. Es importante mencionar que por ahora se desconoce la verdadera naturaleza de los ingredientes oscuros, hecho que convierte este tema en un campo de investigación muy activo. Sepan sin embargo que existen modelos alternativos al denominado modelo cosmológico estándar donde estos enigmáticos ingredientes oscuros no son necesarios.

Video suplementario en inglés acerca del descubrimiento (créditos ESO):


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