La materia oscura: ¿cómo la descubrieron?

Hoy sabemos que toda la materia que podemos observar y ver es sólo un 15% de la materia que existe en el universo. El otro 85% es una materia que no conocemos, sólo sabemos que existe y se llama: materia oscura. Aunque ya escribí un post sobre este tema, en este post nos centraremos en cómo se descubrió.

via lactea

Aunque haya empezado por el final, diciendo el resultado, veamos cómo sucedió. En el post anterior vimos cual era el peso de nuestro planeta. Pues resulta que alguien se planteó, que una vez sabido el peso de la tierra, porque no averiguar ¿cual era el peso de una estrella o de una galaxia?

Universo

Pero no se podían usar las mismas técnicas, porque al contrario de lo que sucede en la tierra, no conocemos la gravedad que se ejerce sobre un objeto cuando éste cae hacia una estrella o al centro de una galaxia lejana. Como mucho podemos averiguar la velocidad a la que se mueve un objeto (planeta o estrella) que gira entorno a ella (estrella o galaxia). Para ello usamos su aceleración centrípeta, la aceleración que está causada, en estos casos, por la fuerza de la gravedad.

La fórmula de la aceleración centrípeta es:aceleracion centripeta

de aquí deducimos que :   [1]velocidad 1

En el caso de un objeto en órbita: la aceleración es la de la gravedad: [2] 

gravitational-acceleration (lo vimos en el anterior post).

Sustituyendo, resulta que:   [3]velocidad

Sin enrollarme más, si miráis la fórmula anterior veréis que si conseguimos saber v y r, ya podemos despejar M (la masa de la estrella o galaxia en cuestión), ya que G es una constante universal (un número fijo y conocido). Es decir, hemos reducido el problema de saber lo que pesa una galaxia a saber la velocidad v a la que va un objeto cualquiera a una distancia r de su centro.

galaxia

Queda otro problema, porque algún listillo podía decir: ¿qué pasa si las trayectorias no son circulares, sino elípticas y la velocidad varía según el lugar donde esté el objeto?. Por ejemplo la tierra va más rápida cerca del sol y mas lenta lejos. Pero se ha demostrado que da igual, basta con calcular la velocidad media de muchos objetos que se muevan alrededor de la masa que queremos calcular. Pero aquí no terminan los problemas, el principal es ¿cómo demonios mido la velocidad de una estrella en torno al núcleo galáctico, si cada vez que la miro está en el mismo sitio parpadeándome?. De hecho sabemos que su velocidad es enorme y que el sitio donde “está”, es donde estaba cuando salió la luz que estamos viendo. Es decir, ni tenemos tiempo ni instrumentos para cronometrar una órbita completa.

tipos de galaxias

¿Entonces qué hacemos?. Para ello usamos el Efecto Doppler. Para hacernos una idea, imaginamos qué pasaría si alguien nos lanza pelotas cada segundo a la misma velocidad: pues que cada segundo nos darían un pelotazo. Pero si además de hacer eso, lo hace corriendo hacia nosotros: recibiríamos pelotazos cada vez en menos tiempo, porque aunque las tire cada segundo, como cada vez está más cerca y tardan menos en alcanzarnos. Sucedería lo contrario si lo hiciera alejándose. Midiendo estás diferencias podemos deducir la velocidad a la que se acerca o aleja. Pues lo mismo sucede con el sonido, sólo que al acercarse (por ejemplo tocando una sirena) en lugar de recibir cada vez más dolorosos pelotazos, al acercarse, recibiríamos un sonido más agudo de las ondas que recibimos. O más grave al alejarse, porque las ondas sonoras cada vez estarían más separadas.

Doppler Sonido

Y a lo que vamos: lo mismo sucede con la luz (también son ondas, electromagnéticas en este caso), cuanto más cerca la vemos más azulada y cuando más lejana más rojiza. Y esto lo vemos analizando el espectro de la luz de algunos elementos como el hidrógeno o el helio de las estrellas, que son perfectamente conocidos a nivel de laboratorio.

doppler luz

Pues cuando ya se calcularon las velocidades de las estrellas y galaxias, y se las prometían muy felices: empezaron a calcular la masa de estrellas y galaxias. Pero se llevaron una enorme sorpresa, cuando se dieron cuenta que los datos no concordaban con la teoría. Les salía muchísima más masa de la que se esperaba. Pero ¿cómo se dieron cuenta de ello?: al medir sus velocidades reales.

cumulo galactico

Resulta que si observamos una galaxia, la mayor parte de las estrellas y el polvo galáctico están distribuidos en más cantidad a medida que nos acercamos a su núcleo. Y en los “barrios exteriores” cada vez hay menos estrellas brillando, por ello su velocidad debería ser menor a medida que están más lejanas del centro, basta con mirar la ecuación [3], al dividir por un r mayor, porque supuestamente la masa M en el exterior es insignificante.

galaxia

La sorpresa que se llevaron fue que la velocidad de las estrellas era prácticamente la misma. Y esto sólo es posible si al aumentar la distancia (el radio r) en la ecuación [3], la masa M (que ya no estaría sobre todo en el centro) también aumentaba compensándola. Eso significa que al alejarse del centro de la galaxia existe más materia que la visible u observable. A esta materia desconocida y no observable se la bautizó como: MATERIA OSCURA.

velocidad y materia-oscura copia

Se estudiaron cientos de galaxias y se ha visto que sucede en todas exactamente los mismo; concretamente la materia ordinaria era sólo un 10% y el otro 90% es materia oscura (en algunas galaxias pequeñas llegaba al 99%). Si este 10% de materia ordinaria le sumamos un 5% de las nubes que flotan entre las galaxias, nos da el 15% de materia ordinaria (4% del universo) y un 85% de materia oscura (23% del universo). También se han estudiado los cúmulos de galaxias calculando la velocidad de estas galaxias respecto al núcleo del cúmulo, confirmando que a la masa del cúmulo le sucede exactamente lo mismo.

proporcion

La siguiente pregunta sería: ¿qué demonios es esa materia oscura?. Pero eso lo dejaremos para otra ocasión. Os recuerdo (para completar la familia), que el otro componente del universo es la Energía Oscura (73% del universo), que es mucho más abundante que la materia ordinaria y la materia oscura juntas.

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