"Eliminar todos los demás factores, y el que sigue debe ser la verdad".
Sherlock Holmes en el signo de los cuatro, de Arthur Conan Doyle".
El tipo de trabajo de detective descrito por Sherlock Holmes ha sido utilizado por los astrónomos durante mucho tiempo a profundizar nuestra comprensión del universo.
Desde entonces el éxito fenomenal de Isaac Newton para explicar el movimiento de los planetas con su teoría de la gravedad y las leyes del movimiento en 1687, materia invisible ha se ha invocado para explicar observaciones desconcertante de cuerpos cósmicos.
Por ejemplo, el movimiento anómalo de Urano llevaron a los astrónomos sugieren que existía un planeta invisible, y unos años más tarde, en 1846, Neptuno fue descubierto. Este procedimiento sigue siendo el principal método utilizado para descubrir planetas que orbitan estrellas.
Foto derecha: Sirio a y B
Una línea de razonamiento similar llevó a la detección en 1862, de la débil enana blanca Sirio B en órbita alrededor de la brillante estrella Sirio.
Por el contrario, el intento de explicar las anomalías en el movimiento de Mercurio debido a la existencia de un nuevo planeta, llamado a Vulcan, no tuvo éxito. La solución resultó para ser la teoría de Einstein del general de la relatividad, que modificó la teoría de Newton.
Hoy, los astrónomos se enfrentan con similar, aunque mucho más grave, problema. A diferencia del caso de Urano, donde la gravedad de Neptuno agrega una fracción de uno por ciento a la actuación de la fuerza gravitacional de Urano, la fuerza adicional necesaria en los casos descritos a continuación es varios cientos por ciento! No es exagerado decir que resolver el problema de la materia oscura requerirá un cambio profundo en nuestra comprensión del universo.
Credit images to "NASA/CXC/SAO"
Cómo sopesar una galaxia espiral:
• Medida velocidad rotacional v de nubes orbitando a una distancia r
• Calcular la aceleración centrípeta de nubes = v2/r
• Equiparar la aceleración gravitatoria de la materia m dentro de la órbita = GM/r2 (G es la constante gravitacional universal)
• Resolver la ecuación M = rv2/g.
Determining the gravity of a galaxy (Illustration: NASA/CXC)
A continuación le damos evidencia de la existencia de materia oscura. La posibilidad que estas observaciones pueden explicarse por cambiar la teoría de la gravedad se describe en una sección separada (alternativas a la materia oscura).
ALTERNATIVAS A LA MATERIA OSCURA
Aunque las pruebas para la materia oscura son amplias y profundas, sin embargo es indirecta y se basa en la suposición de que las leyes del movimiento y la gravedad como fueron formuladas por Newton y ampliada por Einstein se aplican. Una posibilidad alternativa es que una modificación de la gravedad puede explicar los efectos atribuidos a la materia oscura. La idea básica es que en aceleraciones muy bajas, correspondientes a grandes distancias, se modifica la ley de la gravitación habitual.
La más estudiada de estas modificaciones se denomina Dinámica Newtoniana Modificada o MOND. De acuerdo con esta hipótesis, la fuerza de gravedad cae más lentamente en aceleraciones bajas (inversamente como la distancia en lugar de inversamente al cuadrado de la distancia). Con esta receta, menos masa es necesaria para explicar la rotación observada de los bordes exteriores de las galaxias o la presión de los gases calientes en cúmulos de galaxias que en la teoría de Einstein de Newton. Ajustando los parámetros de la teoría, se puede eliminar la necesidad de materia oscura.
Aunque MOND ha tenido cierto éxito en la explicación de las observaciones de galaxias, otras teorías que implican la modificación de la ley de la gravedad y han sido duramente impugnados por observaciones de la galaxia clúster 1E0657-56, también conocido como el cúmulo bala.
La imagen adjunta muestra gas caliente de rayos x que producen (Rosa) y luz óptica de estrellas en las galaxias de clúster (naranja y blanco). Las observaciones de rayos x muestran que el cúmulo bala está compuesto de dos grandes cúmulos de galaxias que están chocando a altas velocidades.
Utilizando la técnica de las lentes gravitacional, los astrónomos han deducido que la total concentración en masa de los clusters (azul) está separada de la de gas caliente. Esta separación fue presumiblemente producida por la colisión de alta velocidad en la que las partículas de gas colisionaron mutuamente, mientras que las estrellas y la materia oscura fueron afectadas. No puede explicarse por una ley alterada de gravedad centrada en las partículas de gas caliente y proporcionó evidencia directa de que la mayor parte de la materia en el cúmulo bala es materia oscura. Aunque tales colisiones violentas entre grupos son raras, (MACS J0025.4-122) muestra el mismo efecto.
Velocidad de rotación de las galaxias.
Medir la aceleración de la materia orbitando alrededor de un objeto es el método básico para determinar la masa de dicho objeto. Por ejemplo, al medir la aceleración centrípeta de un planeta que orbita el sol a una distancia conocida, puede determinarse la masa que debe tener el sol para producir esa aceleración.
De manera similar, los astrónomos pueden calcular la masa de una galaxia midiendo la aceleración de las nubes que orbita alrededor de los bordes exteriores de una galaxia. Pionero por Vera Rubin y sus colegas demostraron que, tanto para su sorpresa, la masa requiere de muchas galaxias espirales es mucho mayor que la masa observada de todas las estrellas visibles y gas. Aproximadamente 5 veces mayor!
Foto derecha:
Ingredientes de la vía láctea
* Agujero negro en el medio
* Delgado disco de estrellas, gas y polvo
* Globulares cúmulos estelares
* Nube de materia oscura que contiene la mayor parte de la masa de la galaxia.
(Ilustración: NASA/CXC/M.Weiss)
Muchos estudios posteriores confirmaron este descubrimiento, y el panorama general que ha surgido es la de un disco de estrellas y gas incrustado en un halo esférico, grande de materia oscura.
Gas caliente en galaxias elípticas
Grandes galaxias elípticas tienen atmósferas extendidas de gas caliente que parecen estar en equilibrio. La presión del gas caliente se equilibra con la fuerza gravitatoria de toda la masa de una galaxia. Chandra y otros telescopios de rayos x pueden utilizarse para medir la presión de gas caliente y observaciones con telescopios ópticos pueden utilizarse para determinar la masa de las estrellas.
La conclusión: no hay suficiente masa en las estrellas y gas para proporcionar la gravedad necesaria. Las galaxias elípticas deben contener aproximadamente cinco veces como mucho masa de materia oscura como la cantidad actual de estrellas y gas.
Movimientos al azar de estrellas en galaxias enanas
Las Galaxias enanas son sistemas débiles, discretos con sólo unos pocos millones de estrellas, pero en última instancia pueden desempeñar un papel clave en la comprensión de la materia oscura.
Las mediciones de los movimientos al azar de estrellas en las galaxias enanas cercanas indican que estas galaxias pueden requerir una fracción mucho mayor de materia oscura que las galaxias normales. Pueden ser los mejores lugares para buscar radiografías o rayos gamma que podrían derivarse de la decadencia o la aniquilación de las partículas de materia oscura.
Gas caliente en cúmulos de galaxias
La primera indicación de la magnitud del problema de materia oscura proviene de un estudio de 1933 por Fritz Zwicky de la velocidad de los movimientos aleatorios de galaxias en el cúmulo de Coma de galaxias. Encontró que 10 a 100 veces más materia que podrían ser detectadas en las estrellas era necesaria para mantener el cúmulo de galaxias y que no vuele en pedazos
Una posibilidad era que el llamado "asunto falta" en forma de gas caliente indetectable con telescopios ópticos. De hecho, en las últimas dos décadas, telescopios de rayos x han descubierto enormes nubes de gas demillones de grados centigrados en cúmulos de galaxias. Estas nubes de gas caliente aumentan la masa del clúster, pero no lo suficiente para resolver el misterio.
Por el contrario, el gas caliente en cúmulos de galaxias proporciona una confirmación independiente de la materia oscura. Como con las galaxias elípticas gigantes, la medición de la presión de gas caliente en cúmulos de galaxias muestra que debe ser sobre 5 - 6 veces más materia oscura como todas las estrellas y gas que observamos, o podría escapar el gas caliente en el clúster.
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