Ya es un consenso general
el hecho de que es necesario postular algo diferente a la materia
común que conocemos, que logre formar la estructura del
universo. Lo primero que quisiéramos platicar aquí es
sobre las evidencias observacionales, lo que realmente se ha visto que
se le parezca a la materia obscura. Esta evidencia se observo en
cúmulos de galaxias hace mucho tiempo y luego en galaxias, pero
se le prestó poca atención. A finales de los años
70´s Vera C.
Rubin, W. Kent Ford Jr. y Norbert Thonnard
obtuvieron las curvas de rotación (velocidades de
rotación de las estrellas alrededor de la galaxia) de 10
galaxias espirales de diferentes tipos, basados en la
clasificación de Hubble. Vera Rubin y sus colaboradores
observaron algo semejante en otras galaxias. Este grupo comparo el
resultado de las velocidades obtenidas según la fuerza
gravitacional y el resultado observado con el corrimiento al rojo. Lo
que encontró es que ambas observaciones tenían una
marcada discrepancia entre ellas. Para su sorpresa, las curvas de
rotación eran aproximadamente planas, es decir, estrellas a muy
diferentes distancias del centro de la galaxia giran con la misma
velocidad circular, siendo que la distribución de materia
luminosa indica que esta velocidad debe decaer rápidamente entre
mas este alejada una estrella del centro de la galaxia. Esta
"planicidad" resultó
más evidente en la curva de
rotación de la galaxia NGC 4378. Esto implica que un incremento
en el radio conlleva a un crecimiento lineal en la masa. Sin embargo,
todas las galaxias tienen materia luminosa con un comportamiento muy
diferente: después de un cierto radio, un incremento en el radio
implica un decrecimiento en la materia luminosa. Esta aproximada
planicidad de las curvas de rotación los llevó a
considerar que las galaxias contienen materia no luminosa no detectada
y que va mas allá de los limites visibles de las galaxias, cuyos
efectos gravitacionales causan la planicidad de las curvas de
rotación. Además, observaron que para galaxias de la
misma luminosidad, la velocidad circular (tangencial) decrece: es mayor
en las galaxias mas ovaladas y menor en las galaxias mas extendidas.
Así también, para galaxias del mismo tipo, pero de
diferente luminosidad, la velocidad circular decrece con la intensidad
luminosa. Éste ha sido quizás uno de los mejores, por no
decir el mejor de los trabajos que dan gran evidencia de la presencia
de materia oscura en el universo.
Después de los trabajos de Vera Rubin y sus colaboradores, una
enorme cantidad de trabajos han demostrado que las galaxias
están hechas principalmente de materia obscura, es decir, de
algún tipo de materia que nos se ve, que no radia. En todos los
casos estudiados la curva de rotación obtenida fue
aproximadamente plana, como las obtenidas para otras galaxias
años antes.
Otra observación independiente de la materia obscura se dio a
través de otro fenómeno. Este consiste en observar el gas
que esta alrededor de los cúmulos de galaxias. Este gas se llama
gas intergaláctico. Observaciones en el gas
intergaláctico de los cúmulos muestra el mismo resultado.
Debido a la fuerza de gravedad entre galaxias, el gas que se encuentra
entre las galaxias en los cúmulos, se calienta. Esto es porque
el gas intergaláctico es jaloneado continuamente por las
galaxias que lo rodean y esto crea una especie de fricción en el
gas provocando su calentamiento. Este calentamiento es proporcional al
monto total de la materia que se encuentra en le cúmulo. El
resultado es que la temperatura del gas también muestra un
déficit de materia con respecto a la materia luminosa. Ambos
resultados coinciden bien, dando como resultado que la
contribución total de la materia contenida en los cúmulos
galácticos, es de 35% la densidad crítica del universo,
es decir, la densidad que determina si el universo es cerrado o
abierto.
En el ámbito cosmológico también tenemos
evidencias muy fuertes de la existencia de la materia obscura. Dos de
estas evidencias son las siguientes. La primera consiste en la
observación en la radiación de fondo del universo. En los
últimos años, varios grupos de astrónomos
han identificado con mucha precisión la forma del espectro de
fluctuaciones de dicha radiación. En la época de la
recombinación, las fluctuaciones más grandes que el
tamaño del horizonte en ese momento, no se vieron afectadas por
ningún fenómeno externo debido a que no se podía
poner en contacto causal a toda la fluctuación en ese momento.
Sin embargo, las fluctuaciones que casi eran del tamaño del
horizonte en ese momento, empezaron a sentir poco a poco las
vibraciones debido a intercambios ''sonoros'' en la fluctuación.
Esto estimula el tamaño de la fluctuación que esta cerca
del tamaño del horizonte. Pero para las fluctuaciones que son
menores que el tamaño del horizonte en ese momento, el
fenómeno de destrucción debido a la radiación,
hace que esas fluctuaciones decrezcan, por lo que se obtiene que las
fluctuaciones que están cerca del tamaño del horizonte a
la hora de la recombinación, serán las de mayor
tamaño. Se obtiene entonces un pico en el espectro de
fluctuaciones. Al espectro de fluctuaciones de la radiación de
fondo se le llama ''espectro angular de potencias''. Este pico en el
espectro angular solo depende fundamentalmente del contenido total de
materia del universo. Cuando se midió independientemente por los
grupos ''Maxima''
y ''Boomerang''
a principios del 2000, el resultado
fue que la densidad del universo esta muy cerca de ser la densidad
crítica, es decir, el universo es casi plano. Pero, los
barinones solo pueden representar 5% de la densidad crítica y
los cúmulos muestran un contenido de 35% de materia respecto a
la crítica. ¿Que es el resto de la materia?
Y por si fuera poco, existe otra observación independiente de
estas dos que nos dan un resultado semejante. Esta otra
observación en la misma dirección consiste en observar la
curvatura de la luz que pasa cerca de una galaxia. Como ya vimos,
según la teoría de la relatividad general de Einstein, la
luz curva su trayectoria debido a la masa total del objeto cercano a su
trayectoria. Lo que los astrónomos hacen, es fijarse en
cúmulos de galaxias lejanos y buscar alguna galaxia muy luminosa
que este atrás del cúmulo. La luz de la estrella
pasará por el cúmulo de galaxias y debido a la gran masa
del cúmulo, la trayectoria de la luz de la galaxia atrás
del cúmulo se curvará, dándonos una idea de la
masa del cúmulo, ya que la curvatura de la trayectoria de la luz
es mayor entre mayor sea la masa del cúmulo. A este
fenómeno se le llama lente gravitacional y es otro de los temas
de investigación de este proyecto. Usando estas observaciones en
lentes gravitacionales, se ha llegado exactamente a la misma
conclusión: la contribución de la materia contenida en
cúmulos de galaxias a la materia del universo es de un 35% de la
densidad crítica del universo.
Por sus efectos gravitacionales podemos saber que esta enorme cantidad
de materia está presente o lo deberían estar, a menos que
las leyes que conocemos de la naturaleza estén incorrectas, algo
que realmente suena ilógico si ponemos como prueba la gran
cantidad de fenómenos que estas teorías describen
exitosamente. Si aceptamos las evidencias de la presencia de la materia
oscura en el universo, faltaría saber lo más importante: ¿De
qué esta hecha la materia oscura? Dar una respuesta a
esta pregunta es el objetivo principal de este proyecto.
La presencia de materia obscura en el universo es totalmente aceptada
por los cosmólogos de hoy y su existencia es respaldada por las
observaciones hechas durante los últimos 60 años. El
comportamiento de las estructuras que conforman el cosmos se presenta
de manera a veces extraña. En particular, el comportamiento de
la materia luminosa contenida en ellas no podría ser explicado
solo por efectos gravitacionales. Si aceptamos que las perturbaciones
apreciadas en galaxias y cúmulos de galaxias son debidas
puramente a efectos gravitacionales, cabria esperar que éstos
fueran causados por la presencia de enormes cantidades de materia no
luminosa, la cual no hemos sido capaces de detectar. Esta es la materia
obscura, la cual debe cumplir características como no ser de
origen bariónico e interactuar débilmente con el resto de
la materia. Debe estar agrupada de tal forma que cause que las curvas
de rotación de las galaxias sean aproximadamente planas
después de un cierto.
El modelo que en la actualidad tiene mayor aceptación es le
modelo de Lambda CDM.
Este modelo ha mostrado un enorme poder de
predicción y a nivel cosmológico, ha mostrado estar de
acuerdo con prácticamente todas las observaciones hasta hoy
realizadas. Esto pone al modelo de Lambda CDM, como un candidato muy
fuerte a resolver el problema de la materia y de la energía
obscuras en el universo. No obstante, el modelo no tiene la
partícula que puede ser la materia obscura, no tiene aun el
candidato que resuelva el problema de la naturaleza misma de la materia
obscura. El modelo de Lambda CDM no esta libre de problemas.
De aquí en adelante vamos a resumir los problemas que tiene el
modelo de Lambda CDM. Uno de los problemas más difíciles
de resolver en el modelo de Lambda CDM es el problema de la constante
cosmológica. Este problema tiene varias vertientes. La primera
es el del ajuste fino del valor de la constante. Los modelos de
partículas existentes predicen una constante cosmológica
o muy grande, unos 128 órdenes de magnitud mayor a lo observado,
o cero. Ambos valores son un desastre para el modelo de Lambda CDM. No
hay alternativa ni explicación de porque la constante tiene el
valor que tiene. Además, según este modelo
cosmológico, es necesario ajustar la energía inicial de
tal forma que el valor de la constante queda unos 128 ordenes de
magnitud de diferencia de las otras energías. Esto provoca que
para obtener el valor de la constante cosmológica que ahora
medimos, hay que poner unas condiciones iniciales extremas, con
números que tienen un uno, varias decenas de ceros
después del punto y luego algún otro numero. Estas
condiciones tan extremas para las condiciones iniciales, le dan poca
credibilidad al modelo, al menos a este nivel. El otro problema de la
constante cosmológica es su valor, el cual es un valor cuya
contribución a la energía total del universo es del mismo
orden del que tiene el de la metería. Esta coincidencia es muy
sospechosa y a muchos nos gustaría tener una explicación
del porque de esta coincidencia tan espectacular. Un modelo alternativo
al modelo de la constante cosmológica, es una constante
cosmológica variable (no constante), introducida por P. J. E.
Peebles y que también suele conocerse en la literatura
como Quintaesencia.
La quintaesencia no resuelve los problemas de la
constante cosmológica, solo los aminora.
Por otro lado, los físicos de partículas se han abocado a
diseñar modelos que pudieran contener alguna partícula
con las condiciones necesarias para ser materia obscura. En la
actualidad el modelo mínimo supersimetrico contiene varias
partículas que tienen características muy semejantes a
las requeridas por el modelo de Lambda CDM. Todos los WIMP's se
comportan con la estadística de partículas de polvo. Sin
embargo, estas partículas han presentado dos problemas muy
serios. El primer problema es que los colapsos de estas
partículas predicen un numero 10 veces mayor de galaxias enanas
en los cúmulos de galaxias que los observados. Una
solución a este problema, es proponer que no todos los halos de
materia obscura que se colapsan forman una galaxia, sobre todo los
halos pequeños. Esto podría ser. Pero en tal caso
debería ser posible observar 10 veces mas halos obscuros sin
materia luminosa formada con estrellas, que los observados como
galaxias enanas. Estas observaciones se están realizando usando
técnicas de micro lentes gravitacionales para observar estos
halos sin galaxia. Los primeros resultados afirmaban haber visto estos
halos, tal y como se esperaba. Pero en la actualidad existe un enorme
discusión de si esto que se vio es realmente cierto o no y si
esto resuelve realmente el problema. Hay que esperar los resultados.
El otro problema, aun
más serio, es que los centros de las galaxias, según el
modelo de Lambda CDM, presentan un perfil de densidades de materia
obscura demasiado grande para coincidir con el observado. Las ultimas
observaciones de los centros galácticos de galaxias LSB hechos
por Vera Rubin y sus colaboradores, parecen indicar que el modelo de
Lambda CDM no puede ajustar bien con los centros de las galaxias, ya
que las galaxias muestran centros con perfiles de densidad muy suaves,
casi constantes o incluso a veces constantes. Si estas observaciones se
confirman, nos encontramos entonces ante un modelo excelente en el
ámbito cosmológico, pero que falla en la
predicción de la forma del centro de las galaxias.
A este problema hay dos
alternativas, la primera es suponer que la
metería obscura es fría, pero autointeractuante, por lo
tanto ya no puede ser WIMP's. Esta alternativa resuelve el problema de
los centros de las galaxias, pero falla al predecir el número de
galaxias enanas en cúmulos. Aun así, esta alternativa no
ha sido descartada, pues se puede combinar con la hipótesis de
que no todos los halos de materia obscura forman galaxias. Y la otra
alternativa cosiste en suponer que la naturaleza de la materia obscura
es la de un campo
escalar con algún potencial de campo escalar
autointeractuante. En este caso, el campo escalar se comporta
exactamente como materia obscura fría hasta niveles
galácticos, predice muy bien el numero de galaxias enanas, sin
acudir a hipótesis adicionales y es diferente a CDM en el centro
de las galaxias, ahí se comporta como un halo de densidad plana,
que parece estar mas de acuerdo con las observaciones hechas por Vera
Rubin, como lo hemos mostrado en una serie de artículos
recientes. Es posible que el campo escalar entre a la disputa para ser
la materia obscura del universo. Es por eso que esta hipótesis
propuesta por nosotros seguirá siendo uno de los temas de
investigación de nuestro grupo. Quizás tan difícil
de detectar como los candidatos propuestos por la física de
partículas, sino es que más, vamos a dar predicciones
concretas de esta hipótesis para poder comprobarlas con
observaciones. El campo escalar basa su postulación en el hecho
de que todas las teorías de unificación proponen su
existencia, y que de entrada podría explicar la planicidad de
las curvas de rotación de las galaxias espirales. Aún
así, no deja de ser una nueva posibilidad y un nuevo camino para
investigar dentro del amplio mundo de los modelos que intentan
encontrar la materia obscura, pero que no dejan de ser eso, modelos,
entre los cuales no se ha podido encontrar uno que explique los efectos
gravitacionales de la materia no luminosa dentro de todas las escalas
del cosmos. Encontrarlo, es el trabajo principal de este proyecto,
dando continuidad al trabajo elaborado y ampliando el campo de
acción de nuestro grupo.
Resumiendo, el modelo de Lambda CDM es un modelo muy exitoso, que
explica muy bien las observaciones del universo en el ámbito
cosmológico, pero que presenta algunos problemas en el
ámbito galáctico. Ahora el reto es proponer un modelo del
universo que pueda explicar bien el universo en su conjunto. Un reto
que seguramente conducirá a la ciencia a nuevos horizontes, a
nuevos conocimientos, a nueva física. Ya es claro que la
física existente no puede explicar el universo en su conjunto,
por eso este es un reto para la física actual. De cualquier
forma, esta discusión aun no termina y esta en su momento
más emocionante. Participar en este reto, es el objetivo que nos
hemos trazado y estamos en la mejor condición para llevarlo a
cabo. Solo necesitamos un poco de apoyo económico. Los
resultados pueden ser espectaculares.
Referencias
- Dark Matter
in Spiral Galaxies, Vera C. Rubin; Scientific American, June, 1983.
-
Dark Matter in the Universe, Lawrence M. Krauss; Scientific American,
December, 1986.
-
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American, July, 1986.
-
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Szalay and Yakov B. Zel´dovich; Scientific American.
-
Experimental limits to the density of dark matter in the solar
sistem, Oyvind Gron and Harald H. Soleng; astro-ph/9507051.
-
Non-Baryonic Dark Matter, Lars Bergström; astro-ph/9712179
-
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M.R.S. Hawkins, astro-ph/9803061.
-
Dark Matter, NASA, November, 1994.
-
Cold Dark Matter Models, Scott Dodelson, Evalyn I. Gates and Michael
S. Turner; astro-ph/9603081.
-
Dilatonic dark matter and unified cosmology: a new paradigm, Y.M. Cho
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-
Scalar Fields as Dark Matter in Spiral Galaxies, Tonatiuh Matos and
F. Siddharta Guzmán, 1998.
-
Dark Matter in the Universe, Jerusalen Winter School for Theorical
Physics, 4th 1986-1987; J.N. Bahcall, T. Piran and S. Weinberg.
-
Darticle Physics and Cosmology, Dark Matter; Edited by Mark Srednicky.
-
Vera C. Rubin, W. Kent Ford Jr. y Norbert Thonnard en su estudio
sobre estas galaxias espirales.
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