Hablando de materia oscura…

Hace poquito mostraba unas fotos de un par de viejos conocidos y, como siempre trato de darle algo de valor al post mas allá de la foto, arrojé sobre el teclado unas pocas palabras apresuradas respecto a la materia oscura. Ya que es un tema lindo y tiene un nombre fachero, voy a hablar un poquito acerca de ella. Les prometo que apenas pueda vuelvo a los posts de delirio, de ateísmo o de chistes matemáticos sin sentido*. Como estas semanas no me está dando la cabeza para escribir algo propio, elijo la salida fácil y agarro por el lado de la cosmología.
-Pero… ¿qué es exactamente la materia oscura?
-¿Exactamente? Ni idea. Pero es materia, es oscura, y estamos bastante seguros de que está ahí.
-¿Y que te hace decir eso de que saben que está ahí?
-Cosas como esta modesta foto:

Guarda al hacer click, podría gustarte...


Para los que la ven por primera vez y desde lejos, estoy seguro de que esa foto es… linda. Bueno, les propongo esto: busquen un plástico adecuado para tapar el teclado (esas fundas de teclado que existían cuando los teclados eran una cosa cara y valía la pena protegerlos sirve; pero cualquier bolsa de supermercado hace el trabajo) acto seguido, colóquenla sobre el mismo para que la baba no lo dañe y ahora sí, están listos para hacer click; cuidado, es una foto de cas 19MB y tal vez les tilde el navegador; en ese caso usen descargar. Lo que seguro les tilda es el cerebro, al notar qué es lo que son cada uno de esos puntitos.
15 min. de espera…
¿Listo, volvieron?
El post es sobre materia oscura, y ya voy a llegar a eso. Pero vale la pena detenerse un poco sobre esta imagen, que se merece un post en sí misma. Esta foto es conocida como la Hubble Ultra Deep Field (HUDF, o campo ultra-profundo del Hubble) y es todo un símbolo de cómo el HST (telescopio espacial Hubble) nos cambió radicalmente la visión que teníamos de nuestro universo. Y cuando digo “universo” no es una exageración (si bien el HST ha provocado revoluciones en otros campos de la astronomía) debido a la cantidad de información que podemos extraer de esta fantástica foto en cuanto a estructura del universo en gran escala. Los puntos brillantes que muestran cuatro piquitos son estrellas (pregunten por estos piquitos y hago un post), lo demás es -casi seguro- todo galaxias. Les reto a encontrar algo que no sea una galaxia en esa foto. La foto fue tomada en dirección a la constelación de Fornax, al sur-oeste de Orión (la constelación que tiene a las tres marías). Esa zona fue elegida debido a la poca cantidad de estrellas, nebulosas y objetos de nuestra galaxia que se pudieran interponer; o sea, se buscó un lugar lo mas vacío posible (y que a la vez pudiera ser observado desde ambos hemisferios en la tierra con telescopios terrestres mas grandes) y se tomaron imágenes con la cámara ACS en 4 filtros que cubren desde el violeta (435nm) hasta el infrarrojo cercano (850nm). ¿Recuerdan como hablo de tiempo de exposición con cada imagen que tomo con el telescopio remoto? Normalmente tomaba imágenes de 30 segundos mas o menos, y desde hace poquito lo he extendido hasta unos cuantos o varios minutos. Bueno, ¿están sentados? Esta foto se estuvo tomando desde el 24 de septiembre del 2003 al 28 de octubre del 2003, y del 4 de diciembre del 2003 hasta el 16 de enero del 2004.
Sip, entre todos los filtros, casi 1 millón de segundos de tiempo de exposición en total, contando cada filtro por separado.

Imagen sin relación pero insertada acá para cortar el bodoque de texto

Ok, vamos a lo nuestro; materia oscura. La llamamos así porque al parecer es una especie de “cosa” que no interactúa con lo demás sino es por medio de su campo gravitatorio. Esto es, no lo afecta ni emite radiación electromagnética por ejemplo (luz) y no la vemos brillar como sí podríamos ver a una nebulosa. No sólo eso, sino que son las fuerzas electromagnéticas las que forman los enlaces entre átomos y las moléculas de las que está hecha mi silla, impidiendo que pase de largo hasta el piso; sin fuerza electromagnética, un “cacho” de materia oscura puede pasar a través de un “cacho” de materia normal sin ningún problema (excepto, tal vez, si alguna de estas partículas golpea justo el núcleo de un átomo. Tal vez.) Lo que es exactamente, incluso si es posible que ya haya sido detectada o no (gracias, Bitácora comunitaria), se los dejo a los físicos de partículas. Lo que les voy a mostrar es un par de evidencias que tenemos los astrónomos que apoyan la existencia de esta cosa tan rara. paciencia, ya vamos a volver a la foto de arriba.
Empecemos con el Cúmulo Coma o Abell 1656, es un cúmulo de galaxias que contiene mas de 1000 de estas y fue estudiado en 1933 por Fritz Zwicky (era groso, lo juro) que usó el teorema del virial (otra cosa que merece post aparte, es la navaja suiza del astrónomo) para inferir, junto con una relación masa-luminosidad, cuanta materia había en el cúmulo que no pudiéramos ver y… le dio un poco desparejo el asunto; 160 veces mas materia que lo esperado debido a la luminosidad de sus galaxias. Actualmente, el número ha bajado un poco pero aún se tiene como resultado que el 90% de la materia en ése cúmulo es materia que no se ve, a la que Zwicky llamó materia oscura.

Otra foto a la que vale la pena hacerle click como para encumularse; ésta está tomada con Spitzer, un telescopio en órbita que observa en el infrarrojo, y combinada con una foto en luz visible; lo infrarrojo se muestra en verde y todas esas manchitas son galaxias enanas miembros del cúmulo.

Para aclarar un poco lo que vio: el teorema del virial relaciona energía cinética con energía potencial de una manera estadística; o sea, conociendo las velocidades peculiares de estas galaxias, podemos estimar la energía potencial gravitatoria. Zwicky vio que ésta era mucho mayor a la esperada, y que con esas velocidades las galaxias deberían haber salido disparadas para todos lados en vez de encontrarse todas en un mismo cúmulo, si la masa total del cúmulo estuviera dada sólo por las galaxias (la masa de las galaxias fue calculada con esa relación masa-luminosidad que mencioné antes). Esto se observa en distintos cúmulos de galaxias de todos tamaños y a diferentes distancias; o sea que no vimos un “caso especial” sino que realmente hay algo manteniendo a las galaxias juntas en todos estos cúmulos. Eso es materia oscura. Podemos usar relatividad general para probar lo que decía Zwicky, o podemos ver que a Zwicky se le ocurrió primero. Lo repito, era grosso. ¿Qué nos dice la RG en caso de tener un montón de materia junta? Que ésta va a afectar de forma perceptible el espacio-tiempo, por supuesto. Dicho en criollo: va a deformar la trayectoria de un rayo de luz que pase cerca del cúmulo de galaxias, lo que se conoce como un lente gravitacional, propuesto en 1937 por Zwicky basado en el efecto Einstein (métanse en ese link, tiene aún mas fotos supergrossas**). Se observó por primera vez en 1979 y acá tienen un bonito ejemplo en un cúmulo de galaxias:

El ovalito blanco muestra uno de los lentes gravitatorios; la galaxia elíptica monstruo del centro marca mas o menos el centro del cúmulo, pueden ver varias galaxias de atrás que estan deformadas por el campo gravitatorio del cúmulo.

La cantidad de materia oscura respecto a materia “normal” (?) encontrada en casi todos esos cúmulos es de una proporción de 5 a 1. Van a ver que esa proporción se repite…
Vamos con el segundo indicio de que hay materia oscura: Sin ella, las simulaciones por computadora de la estructura a gran escala del universo simplemente no funcionan. Usando la proporción anterior de materia oscura / materia barionica común, se pueden hacer cosas como la monstruosa simulación Millenium

Ese es un detalle de la forma del universo simulado. Lo que se ve es distribución de masa, que incluye galaxias y estrellas, pero no es "luz" lo que se ve ahí.

y compararlas con observaciones de millones de galaxias, como el 2dF survey y el SDSS

Yo hice una imagen similar cuando estaba trabajando con grupos de galaxias y tenía el 2dF a mano; me costó un triunfo hacer el grafiquito pedorro pero lo logré (junto con LtDan, que a veces comenta pero generalmente no, el muy cobarde). Cada punto es una galaxia, y se puede ver la estructura del universo en gran escala. Esto coincide bastante bien con la simulación de arriba.

para encontrar que son similares en varias cosas, en particular la tendencia de las galaxias de agruparse en nodos y filamentos del “tamaño correcto”, parámetros muy sensibles a la cantidad de materia extra que tenga el modelo. O sea, con materia oscura los modelos encajan con la realidad.
Tercero: Quisiera que se tomen un descanso de todo el palabrerío enrevesado que acabo de tirarles y vayan a disfrutar un ratito mas de la imagen de arriba del todo, pero esta vez presten atención a las galaxias que están juntas de a dos o mas y que parecen estar “despedazándose”. ¿Las vieron?
¿Ya está?
¿Vieron alguna de estas?

Casi todo lo que está en fotos en este post es digno de que se le haga click para agrandarlo. Esta no es la excepción.

Ok, esos son grupos de galaxias (como cúmulos pero mas chicos) y las que están de a dos se les dice pares interactuantes. Podemos sacar muchos datos viéndolas, comparando su morfología y calculando qué tan cerca están unas de otras, cosas como por ejemplo, su velocidad peculiar (la velocidad que tengan respecto de un sistema de coordenadas que elimine la velocidad observada por la expansión del universo; por ejemplo un marco de referencia co-móvil). Las velocidades peculiares de estos pares, otra vez gracias al teorema del virial, nos dan una idea de la cantidad de masa involucrada para mantenerlos mas cerca o mas lejos. Y en el caso de sólo pares de galaxias (en vez de cúmulos de miles de galaxias o mas) obtenemos información muchísimo mas “fina” de la cantidad de materia que las mantiene juntas, y otra vez es necesario que haya 5 veces tanta materia oscura respecto de la “normal”. Para un bonito ejemplo propio de galaxias interactuantes, les vuelvo a recordar mi anterior animal de la semana(tm), M51 y compañera. Pero en la foto del Hubble van a encontrar de estos como para hacer dulce. Otro ejemplo donde ésta proporción de materia oscura se mantiene es en el halo de las galaxias y lo que se observa con sus curvas de rotación, como mencioné en este post. Lo de las curvas de velocidad de rotación podríamos llamarlo la evidencia número cero…
Cuarto: Voy a apelar a nada mas ni nada menos que la famosa radiación de microondas del fondo cósmico (CMBR), seguro que han visto alguna vez esta imagen del WMAP

:

Otra vez, hacé click para microondearte al máximo. Lo que se ve son variaciones de brillo en microondas que se corresponde con variaciones en temperatura de ese instante del universo, desviándose +-0,0002 grados de los 2,725 grados kelvin de temperatura.

La existencia de materia oscura da buena cuenta de esas irregularidades que se ve en la radiación de fondo cósmico. Esta no la voy a explicar al menos de que me lo pidan en los comentarios y hago otro post, porque es un poquito complicado, pero tiene que ver con las partículas de materia oscura moviéndose libremente (y amuchándose) antes que la materia bariónica a medida que el universo se fue haciendo menos denso y justo antes de que se volviera ópticamente fino, dejando esa “impresión” que es la radiación de fondo cósmico.
La materia oscura está ahí, y viendo su efecto gravitatorio sobre las cosas que sí podemos ver sabemos de su existencia y de algunas propiedades; para ir terminando, les dejo una última foto,

Imagen en rayos X del telescopio Chandra.

del cúmulo bala (no por nada, sino que se llama Bullet Cluster). Otra de las mejores evidencias que tenemos de la existencia de materia oscura (inclusive frente a otras alternativas), y que nos da una buena idea de por qué es materia que no interactúa con campos electromagnéticos en vez de ser materia bariónica que simplemente no se ve. Lo que vemos en esta foto es la colisión de dos cúmulos de galaxias (!) en donde podemos encontrar el centro de masas de materia bariónica de los cúmulos viendo el gas que se calienta tanto que brilla en rayos X, y éste va “restrasado” comparado con los centros de masas de las componentes de materia oscura de los dos cúmulos, que se pueden ver por efecto de microlentes (entren al link, van a ver un mapeo grossísimo de densidad de masa inferido de efectos de microlensing débil de donde se puede ver esto). Dicho en criollo, al colisionar los dos cúmulos, las componentes de materia oscura “pasan de largo” y, como venimos viendo, sólo sienten su fuerza de gravedad mutua; no “sienten” fuerzas de arrastre ni presión de radiación ni nada de lo que el resto de la materia del cúmulo sí “siente”, y se muestra en la foto. De hecho, lo que se ve encaja no solamente con la hipótesis de la existencia de materia oscura, sino con modelos muy precisos de cosmología que incluyen materia oscura; en particular con el modelo de lambda-cold dark matter. Si no seguiste ningún link, te recomiendo por lo menos ése.
Todo eso, puesto de forma simple, es la evidencia que tenemos de materia oscura, y hay mas (no hablé del bosque Lymann-α, por ejemplo) Si quieren saber qué es búsquense a un físico con un acelerador de partículas bajo el brazo y pregúntenle. Yo ya me cansé de hablar huevadas.

*-¿What’s purple and conmutes?
-An abellian grape.
**Dispénseseme licencia para los terminos usados a mansalva por mi que están relacionados con la palabra pseudolunfardesca conocida como “grosso”. Es que me encanta el tema y es muy grosso…

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Esta entrada fue publicada en Astronomía, Ciencia, Física. Guarda el enlace permanente.

7 respuestas a Hablando de materia oscura…

  1. Guillote dijo:

    Tremendo post! Congrats

  2. ye olde fox dijo:

    Usted señor ha hecho un post memorable, el cual lo acredita a una patagonia bien helada, se acordará el lugar y fecha para la entrega..!!

  3. dama dragón dijo:

    Guau….

  4. Joaquín dijo:

    Yo quiero saber sobre los piquitos de las estrellas

    • chimango dijo:

      capaz que me copo y hago un post después, pero te adelanto que los “piquitos” que se ven en las fotos son un efecto de difracción; los telescopios que muestran esos picos son schmidt-cassegrain o newtonianos que tienen a su espejo secundario sostenido por barras de metal (llamados “arañas”) y esas barras producen los piquitos. Fijate que en las fotos mías (sección “animal de la semana”, a la derecha del blog) no aparecen porque el espejo secundario en el telescopio que uso está sostenido por una placa de cristal (placa correctora schmidt) en vez de estar agarrado al tubo por unas barritas de metal.

  5. Pingback: Imagen picuda | Animal de Ruta

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