Gravedad y movimiento de los astros

Simulador que muestra la órbita planetaria alrededor de una estrella.

Simulador

Análisis de espectros y composición del universo

Simulador de espectros

Espectrómetro

Simulador del comportamiento del átomo de hidrógeno frente a la radiación electromagnética.

La materia oscura

Jasem Mutlaq

Los científicos se encuentran hoy en día cómodos con la idea de que el 90% de la masa del Universo está en una forma de materia que no puede ser vista.

Aunque disponemos de mapas fiables del universo cercano que cubren el espectro desde las ondas de radio hasta los rayos gamma, únicamente somos capaces de contabilizar el 10% de la masa de lo que debe de haber ahí fuera. Como dijo Bruce H. Margon, un astrónomo de la Universidad de Washington, en el periódico New York Times en 2001: “Es una situación sumamente embarazosa admitir que no logramos hallar el 90% del universo”.

El término que identifica a esta «masa perdida» es el de materia oscura, y esas dos palabras resumen muy bien todo lo que conocemos sobre este tema. Sabemos que hay «materia», porque podemos ver los efectos de su influencia gravitacional. Sin embargo, la materia no emite una radiación electromagnética que sea detectable, por lo tanto es «oscura». Existen varias teorías para dar cuenta de la masa perdida, que van desde exóticas partículas subatómicas hasta una población de agujeros negros aislados. También se habla de enanas blancas y marrones. El término «masa perdida» puede inducir a error, ya que la masa como tal no está perdida, tan solo su luz. Pero, ¿qué es exactamente la materia oscura y cómo sabemos que existe si no podemos verla?

La historia comenzó en 1933, cuando el astrónomo Fritz Zwicky estaba estudiando el movimiento de cúmulos masivos de galaxias distantes, en concreto el cúmulo Coma y el cúmulo Virgo. Zwicky estimaba la masa de cada galaxia en el cúmulo basándose en su luminosidad, y sumaba las masas de todas las galaxias para obtener la masa total del cúmulo. Entonces hizo una segunda estimación de la masa del cúmulo, independiente de la primera, basándose en las velocidades individuales de las galaxias en el cúmulo. Para su sorpresa, esta segunda estimación sobre la masa dinámica era 400 veces mayor que la masa estimada basándose en la luz de las galaxias.

Aunque en la época de Zwicky ya había una seria evidencia, hasta los años 70 los científicos no comenzaron a investigar más profundamente esta discrepancia. Fue en esa época cuando se empezó a tomar en serio la existencia de la materia oscura. La existencia de tal materia no solo resolvería las deficiencias de masa en los cúmulos de galaxias, además tenía consecuencias mucho más importantes para la evolución y el destino del propio universo.

Otro fenómeno que sugirió la existencia de la materia oscura fue la existencia de las curvas rotacionales en las galaxias espirales. Las galaxias espirales contienen una gran población de estrellas que orbitan alrededor del centro de la galaxia de forma casi circular, tal y como los planetas orbitan alrededor de una estrella. Al igual que las órbitas planetarias, las estrellas con grandes órbitas galácticas se espera que tengan una menor velocidad orbital (este es uno de los puntos de la tercera ley de Kepler). En realidad, la tercera ley de Kepler solo se aplica a las estrellas cercanas al perímetro de una galaxia espiral, ya que asume que la masa rodeada por la órbita es constante. (Las ecuaciones de Newton nos muestran que su velocidad orbital estará dada por:

Es decir, la velocidad orbital disminuye con la raíz cuadrada de la distancia al cuerpo central y aumenta con la raíz cuadrada de la masa de éste).

Curva de rotación típica de una galaxia espiral. Se muestra en rojo la velocidad en km/s medida en función de la distancia al centro (R) en kiloparsecs (1 kpc equivale a 3262 años luz). En azul se esquematiza la velocidad calculada debido a la acción gravitatoria de la masa visible. Es evidente que al aumentar la distancia al centro de la galaxia, la velocidad debería disminuir, pero en cambio permanece casi constante. Esto se explica con la presencia de una gran masa en un halo de "materia oscura".

Sin embargo, los astrónomos han realizado observaciones de las velocidades orbitales de las estrellas en las partes más exteriores de un gran número de galaxias espirales, y ninguna de ellas seguía la tercera ley de Kepler como se esperaba. En vez de caer en un radio más grande, las velocidades orbitales permanecían insistentemente constantes. La explicación es que la masa rodeada por una órbita de radio grande aumenta, incluso en las estrellas que aparentemente se encuentran en el límite de la galaxia. Aunque parecen estar al borde de la parte luminosa de la galaxia, la galaxia tiene un perfil de masa que aparentemente se extiende más allá de las regiones ocupadas por las estrellas.

Hay otra forma de pensar en ello. Considere las estrellas cercanas al perímetro de una galaxia espiral, con velocidades orbitales observadas típicamente en torno a los 200 kilómetros por segundo. Si la galaxia consistiese solo de la materia que podemos ver, estas estrellas se separarían muy rápidamente de la galaxia, ya que sus velocidades orbitales son cuatro veces más grandes que la velocidad de fuga de la galaxia. Como parece que las galaxias no se deshacen, debe haber una masa en la galaxia con la que no contamos al sumar todas las partes que podemos ver.

Efecto de las lentes gravitacionales fuertes observado por el Telescopio espacial Hubble en Abell 1689 que indica la presencia de materia oscura.

La literatura se ha visto surcada por varias teorías al respecto de la masa perdida, como las WIMPs (partículas masivas que interaccionan débilmente), MACHOs (objetos del halo masivos y compactos), agujeros negros primordiales, neutrinos masivos y otras más, cada una con sus pros y sus contras. Ninguna de las teorías ha sido aún aceptada por la comunidad astronómica, básicamente por la imposibilidad actual de contrastar unas hipótesis frente a otras.

El universo conocido

El Método Científico

La observación y la experimentación son las claves de la ciencia

¿Por qué hacer observaciones y realizar experimentos?

Para responder preguntas

El método científico es un sistema empleado en la ciencia para responder preguntas

El método consta de 8 etapas:

1 Determinar el problema

Frecuentemente el problema surge de una serie de observaciones iniciales del investigador.

2 Investigación bibliográfica

Búsqueda de publicaciones sobre el tema para ver si ha sido previamente investigado: bibliotecas, Hemerotecas, Publicaciones científicas, Universidades, otros centros de investigación.

Con frecuencia el método científico concluye aquí, ya que el problema ha sido previamente resuelto.

Si ni se ha investigado y resuelto el problema previamente, la investigación debe continuar.

3 Hipótesis

Posible respuesta el problema basada en la información disponible.

4 Investigación

Para contrastar la hipótesis es necesario experimentar y realizar nuevas observaciones.

Los experimentos deben estar diseñados para proporcionar una información útil y deben ser reproducibles.

5 Elaboración de un modelo o teoría

Después de analizar los datos recolectados, se propone un modelo o teoría que explique todas las observaciones.

6 Revisión de la teoría

Nuevos experimentos y observaciones permiten comprobar que se cumplen las predicciones basadas en la teoría.

Estas observaciones adicionales pueden:

Probar que la teoría es correcta entonces hay que comunicar los datos.

Que la teoría es inexacta entonces es necesario modificar la teoría.

Probar que la teoría es incorrecta entonces hay que plantear una nueva hipótesis.

7 Publicación de los resultados

Informando sobre la experimentación, las observaciones y la teoría. Los resultados deben ser honestos e imparciales.

8 Verificación por otros investigadores

¿Aprecian otros investigadores las mismas cosas?

¿Pueden reproducirse los experimentos?

¿Obtienen las mismas conclusiones otras investigaciones?

Si la respuesta a estas preguntas es sí, la teoría puede ser aceptada.

Si la respuesta es no, serán necesarias nuevas teoría para explicar el problema original.

Todo esto no quiere decir que la ciencia tenga respuesta para todo, la ciencia es una poderosa herramienta que nos ha permitido comprender muchas cosas sobre el mundo y el universo que nos rodea.

Actividad: Ciencia y pensamiento crítico

ACTIVIDADES 

1. ¿Qué significa que la Ciencia es una empresa colectiva?

2. ¿Cuáles son los rituales de la Ciencia?

3. ¿Cuál es para la Ciencia la única verdad sagrada?

4. ¿Qué significa que todas las suposiciones deben ser examinadas críticamente? y ¿qué significa que los argumentos de la autoridad no valen nada?

5. ¿Qué hacer con lo que no es coherente con los hechos?

6. ¿Por qué la Ciencia es lo mejor que tenemos?

Bienvenidos al Blog

Bienvenidos al blog de la asignatura. 

El blog del curso pretende ser una herramienta que nos ayude en el proceso de enseñanza-aprendizaje en el que estamos embarcados, facilitando el acceso a contenidos, compartiendo todo aquello que pensemos que pueda ser interesante para el desarrollo de la asignatura o explorando aquellos campos de la materia en la que no profundicemos, pero tengamos inquietudes. 

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Creo que no se me olvida nada.