Materia Obscura Escalar
Relatividad Numérica Teórica Lentes Gravitacionales Mecánica Estadística de Sistemas Gravitacionales

Astropartículas
Hidrodinámica Relativista
Ondas Gravitacionales
Ecuaciones Geodésicas y Relatividad Numérica


Oscilatones


MATERIA OSCURA

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.
- Very Large Structures in the Universe, Jack O. Burns; Scientific American, July, 1986.
- The Large-Scale Structure of the Universe, Joseph Silk, Alexander S. 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
- The Direct Detection of Non-Baryonic Dark Matter in the Galaxy?, 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 and Y.Y. Keum; Classical and Quantum Gravity, 1998.
- 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.
Menu Inicio