Indice

  1. Definición.external image materia+oscura.jpg

  2. Historia y teoría.

  3. Evidencias experimentales.

  4. Repercusión y aplicaciones.



1. Definición


La energía oscura es una forma de materia o energía presente en todo el espacio, produciendo una presión que tiende a acelerar la expansión del universo, resultando en una fuerza gravitacional repulsiva. Considerar la existencia de la energía oscura es la manera más frecuente de explicar las obervaciones recientes de que el universo parece estar en expansión acelerada. Según el modelo estándar de la cosmología, la energía oscura aporta casi tres cuartas partes de la masa-energía total del universo.

El término materia oscura alude a la materia cuya existencia no puede ser detectada mediante procesos asociados a la luz, es decir, no emiten ni absorben radiaciones electromagnéticas, así como no interaccionan con ella de modo que se produzcan efectos secundarios que se puedan observar; esta materia ha sido inferida solamente a través de sus efectos gravitacionales.
La materia oscura se divide en materia oscura bariónica y materia oscura no bariónica. La no bariónica a su vez, se divide en tres partes. La materia no bariónica caliente, la cual se mueve ultrarrelativistamente, la materia no bariónica templada, que se mueve relativistamente, y la materia bariónica fría, que no se mueve relativistamente.

De acuerdo con las observaciones actuales de estructuras de una galaxia, así como la cosmología del Big Bang, se ha determinado que la materia oscura ocuparía un 21% de la masa del Universo observable y la energía oscura un 70%, lo que hace entre las dos un 91% de materia del Universo.

No se debe confundir la energía oscura con la materia oscura, ya que, aunque ambas forman la mayor parte de la masa del Universo, la materia oscura es una forma de materia, mientras que la energía oscura se asocia a un campo que ocupa todo el espacio



2. Historia


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2.1. Historia de la energía oscura


Antes de hablar del término de energía oscura, hay que retrocederse a Einstein, el cual recurrió a la llamada "constante cosmológica", con el fin de obtener una solución estable a la ecuación de campo, que definía un Universo estático. Este ajuste no fue preciso ya que fue demostrado que este universo definido por Einstein sería inestable, se conduciría a una expansión o contracción incontrolada del Universo.

Años más tarde, con las observaciones de Edwin Hubble, se demostró que el Universo está expandiéndose, por lo que la teoría de Einstein del Universo estático fue definida por el mismo como "su gran error" y por lo tanto la constante cosmológica ignorada durante años.

En los años 70, Alan Guth propuso que un campo de presión oscura, similar al concepto de energía oscura conduciera a la inflación cósmica (fuerzas repulsivas, similares a la energía oscura, dieron como resultado una enorme y exponencial expansión del Universo poco después del Big Bang, una característica esencial de muchos modelos actuales del Big Bang.) Sin embargo esta inflación debería haber ocurrido a una energía más alta que la energía oscura que observamos hoy. No esta claro si existe una relación entre la materia oscura y la inflación.

El término de energía oscura fue por primera vez utilizado por Michael Turner en 1998. En esta época existía un problema con la perdida de masa de la nucleosíntesis primordial (periodo durante el cual se formaron algunos de los elementos ligeros como el hidrógeno y sus isótopos, isótopos del helio, litio...) y la estructura a gran escala del Universo (distribuciones observables de materia y luz en orden de miles de millones de años luz), por lo que algunos cosmólogos teorizaron con un componente adicional en el Universo. La primera prueba directa de la energía oscura fue realizada por Adam Riess y confirmada por Saul Perlmutter, proveniente de la aceleración de expansión de las supernovas. Esto dio como resultado un modelo llamado LAMBDA-CMD, (explica las observaciones realizadas sobre la radiación de fondo, la estructura a gran escala del Universo y las observaciones sobre las supernovas, que explica la aceleración de expansión del Universo). Algunos de los resultados obtenidos revelaron que el comportamiento medio de la energía oscura es similar al de la constante cosmológica con una precisión del 10%. Los resultados del telescopio Hubble, concluyen que la energía oscura ha estado presente al menos durante al menos 9000 millones de años.



2.2. Historia de la materia oscura



Fritz Zwicky usó por primera vez el término “materia oscura” en 1933, pese a que su existencia quedó confirmada a partir de 1974, y hasta 1980 fue comúnmente llamaba “masa perdida” o “masa no visible”. En el s. XIX se descubrió que las estrellas no estaban fijas en el cielo y se movían.

Hasta 1918 se creyó que el universo era la Vía Láctea y tenía al Sistema Solar en su centro. Las estrellas se movían con velocidades radiales alrededor del Sistema Solar. Muchos astrónomos de principios del s. XX trataron de obtener un mapa de las velocidades de las estrellas en el universo, con objeto de determinar su masa total, tanto visible (nebulosas), como no visible (otros objetos que no brillan como planetas y polvo interestelar). Algunos astrónomos alrededor de 1922 decidieron hacer un mapa de las estrellas de nuestra galaxia. Utilizaron estos mapas para estimar su masa total y descubrieron que la Vía Láctea tenía una masa cuatro veces mayor de la observada anteriormente gracias a las estrellas. “Debía haber tres estrellas oscuras en el universo por cada estrella (visible).”

Hubble (1924-1929) descubrió que las nebulosas eran galaxias como la nuestra y que el universo estaba formado por galaxias, estaba en expansión y la Vía Láctea no estaba en su centro. Se estudiaron las velocidades de las galaxias y se encontró que la masa de dichas galaxias era 100 veces menor de lo necesario para explicar sus velocidades. Acuñó el término “materia oscura” para denominar a las galaxias enanas (no visibles) y al gas intergaláctico. Horace Babcock (1939), Mayall y Aller (1940) y Oort (1940) observaron que conforme nos alejamos del centro galáctico la velocidad radial de las estrellas se mantiene casi constante en lugar de descender, como se esperaría en una distribución de materia en forma de disco. Parecía como si la masa de la galaxia estuviera distribuida en forma esférica.

Tras la II Guerra Mundial, solo Zwicky y Oort reivindicaban la existencia de la “materia oscura.” Su interpretación generó muchas dudas puesto que los errores en las medidas eran muy grandes. La “materia oscura” empezó a ser aceptada gracias a las curvas de rotación galáctica que mostraban que la velocidad de las estrellas no decrece conforme nos alejamos del centro galáctico. Entre 1961 y 1974 se midieron estas curvas para muchas galaxias, pero la medida era difícil y los resultados eran contradictorios.

Durante los 1980 la teoría de la inflación cósmica de Guth (1981) y Linde (1982) llevó a los cosmólogos a pensar que el universo era plano (tenía una densidad crítica Ω=1). Faltaba materia bariónica en el universo, tampoco había suficiente materia oscura. Se empezó a reivindicar un valor no nulo de la constante cosmológica o algún tipo de “energía oscura”. Tampoco se sabía si la materia oscura era fría o caliente, o incluso si la había de ambos tipos. Hubo que esperar a las medidas de las anisotropías del fondo cósmico de microondas obtenidas por el satélite COBE (lanzado en 1989) publicadas en 1992 y 1993.

Durante 1993 dos grupos emprendieron un estudio de supernovas tipo LA para comprobarlo, descubriendo que la expansión cósmica se estaba acelerando. Nació la energía oscura. Todavía no sabemos lo que es la materia oscura pero sabemos que existe y vemos como influye en la formación de las grandes estructuras del universo.

La teoría inflacionaria, si es verdad, exige que esta materia oscura constituye entre el 90 y el 99 por ciento del universo. Los astrónomos todavía tienen que determinarlo.




3. Evidencias experimentales


De los experimentos para probar la existencia de la energía oscura el más conocido es el Sistema de Detección Integrado Sachs-Wolfe, ideado en 1996 por dos investigadores canadienses y utilizado por primera vez en 2003. Estos propusieron buscar pequeños cambios en la energía de la luz comparando la temperatura de la radiación con mapas de galaxias en el universo local. De no existir la energía oscura, no habría correspondencia entre los dos mapas (el de fondo de microondas cósmico distante y el de la distribución de galaxias relativamente cercanas). Sin embargo si esta existiera se podría observar un curioso fenómeno: los fotones del fondo cósmico de microondas ganarían energía (en vez de perderla) al pasar cerca de grandes masas. El experimento mejoró sus resultados gracias al eguipo de Tommaso Giannantonio, quien ha probado su existencia con un error menor que anteriormente.

La primera persona en proporcionar pruebas y deducir la existencia de la materia oscura fue el astrofísico suizo Fritz Zwicky en 1933. Aplicó el teorema de virial al cúmulo de galaxias Coma y obtuvo pruebas de masa no visible. Zwicky estimó la masa total del cúmulo basándose en los movimientos de las galaxias cercanas a su borde. Cuando comparó esta masa estimada con la estimada en el número de galaxias y con el brillo total del cúmulo, encontró que había unas 400 veces más masa de la esperada. La gravedad de las galaxias visibles en el cúmulo resultaba ser muy poca para tal velocidad orbital, por lo que se necesita mucha más. Esto es conocido como el "problema de la masa desaparecida". Basándose en estas conclusiones, Zwicky dedujo que tendría que haber alguna forma de "materia no visible" que proporcionaría suficiente masa y gravedad constituyendo todo el cúmulo.Muchas de las evidencias de la existencia de materia oscura provienen del estudio de los movimientos de las galaxias.
Aunque sin duda la mayor evidencia experimental de la existencia de la materia oscura es la propia expansión del Universo, podemos encontrar las siguientes observaciones:

  • La curva de rotación galáctica que muestra la velocidad de rotación frente a la distancia del centro de la galaxia, no se puede explicar sólo mediante la materia visible. Suponiendo que la materia visible conforma sólo una pequeña parte del cúmulo, es la manera más sencilla de tener en cuenta esto. Las galaxias muestran signos e estar compuestas principalmente de un halo de materia oscura concentrado en su centro, con simetría casi esférica, con la materia visible concentrada en un disco central. Las galaxias de brillo débil superficial son fuentes importantes de información para el estudio de la materia oscura, ya que tienen una baja proporción de ateria visible respecto de la materia oscura, y tienen varias estrellas brillantes en el centro que facilita la observación de la curva de rotación de estrellas periféricas.
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  • En agosto de 2006 se llegó al resultado de que la materia oscura se ha detectado por separado de la materia ordinaria a través de medidas del Cúmulo Bala, realmente dos cúmulos de galaxias cercanos que colisionaron hace unos 150 millones de años. Los investigadores analizaron los efectos de las lentes gravitacionales para determinar la masa total de la distribución ambas y la compararon con los mapas de rayos X de gases calientes, que se pensaba que constituían la mayor parte de la materia ordinaria en los cúmulos. Los gases calientes interactuaron durante la colisión y permanecieron cerca del centro. Las galaxias individuales y la materia oscura no interactuaron y están más alejadas del centro.

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  • El trabajo pionero de Rubin ha resistido la prueba del tiempo. Las medidas de las curvas de velocidad en galaxias en espiral pronto continuaron con velocidades de dispersión de galaxias elípticas. Mientras algunas veces aparece con menores relaciones masa-luz, las medidas de elípticas siguen indicando un relativamente alto contenido en materia oscura. Así mismo, las medidas de los medios interestelares difusos encontrados en el borde de las galaxias indican no sólo las distribuciones de materia oscura que se extienden más allá del límite visible de las galaxias, sino también de que las galaxias son virializadas por encima de diez veces su radio visible. Esto supuso estimar la materia como una fracción de la suma total de masa de gravitación desde el 50% medido por Rubin hasta la actualmente estimada de casi el 95%.

  • Durante los últimos diez años se ha desarrollado una técnica, llamada lentes débiles, que mide las distorsiones de galaxias a una microescala en las grandes distancias debidas a objetos de fondo mediante análisis estadístico. Examinando la deformación de las galaxias de fondo adyacentes, los astrofísicos pueden obtener la distribución media de energía oscura por métodos estadísticos y encontrar las relaciones masa-luz que se corresponden con las densidades de materia oscura predichas por otras mediciones de estructuras a gran escala. La correspondencia de las dos técnicas: la de lentes gravitacionales junto con otras medidas de materia oscura, han convencido a casi todos los astrofísicos de que la materia oscura es realmente el mayor componente del Universo.
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  • Aunque no se hayan probado experimentalmente, se han utilizado simulaciones por ordenador de miles de millones de partículas de materia oscura para confirmar que el modelo de materia oscura fría de la formación de estructuras es consistente con las estructuras observadas en el Universo mediante las observaciones de galaxias, como la Sloan Digital Sky Survey y la 2dF Galaxy Redshift Survey, así como las observaciones del bosque Lyman-alfa. Estos estudios han sido cruciales en la construcción del modelo Lambda-CDM que mide los parámetros cosmológicos, incluyendo la parte del Universo formada por bariones y la materia oscura.





4.Repercusiones y aplicaciones.


La materia oscura a tenido distintas repercusiones en diferentes teorías, algunas de ellas son:

  • Modificación de la gravedad.

Una explicación alternativa a las cuestiones planteadas por la materia oscura es suponer que las inconsistencias observadas son debidas a una incompleta comprensión de la gravedad. Para explicar las observaciones, a grandes distancias, las fuerzas gravitacionales son más fuertes de lo que nos indicarían la mecánica newtoniana.
Por ejemplo, esto podría ocurrir si se toma un valor negativo para la constante cosmológica de la Dinámica newtoniana modificada (MOND),20 que corrige las Leyes de Newtonpara aceleraciones pequeñas. Sin embargo, la construcción de una teoría MOND relativista ha sido problemática y no está claro como se puede reconciliar con las medidas de las lentes gravitacionales en la curvatura de la luz alrededor de las galaxias. Se propusieron distintas teorías para intentar solucionar dichos problemas como las siguientes:
  • La principal teoría MOND relativista, propuesta por Jacob Bekenstein en 2004 es llamada TeVeS (Tensor-Vector-Scalar) y resuelve muchos de los problemas de los primeros intentos.

  • Otra alternativa es la teoría de gravedad modificada (MOG) propuesta por John Moffat, basada en la Teoría gravitacional no-simétrica (NGT), pretende explicar el comportamiento de las galaxias que chocan

  • Otra aproximación, propuesta por Arrigo Finzi en 1963 y por Robert Sanders en 1984, es reemplazar el potencial gravitacional por la siguiente expresión:
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donde B y external image f7f177957cf064a93e9811df8fe65ed1.png son parámetros ajustables.

Estas aproximaciones tienen dificultades explicando la diferencia en el comportamiento de las distintas galaxias y clústeres (son agrupaciones de millones de estrellas viejas),pero
tales contrariedad pueden ser fácilmente comprendidas tomando diferentes cantidades de materia oscura. Las observaciones sobre la rotación de las galaxias indican que alrededor del 90% de la masa de una galaxia no es visible y sólo puede ser detectada por sus efectos gravitacionales.

Alexander Mayer propone una hipótesis basada en las inconsistencias observadas en la sincronización del sistema GPS y otras anomalías. En dicha hipótesis, el aumento del corrimiento hacia el rojo (incremento en la longitud de onda de radiación electromagnética), observado en galaxias lejanas y el aparente exceso de masa del universo hace necesario que dicha materia oscura no sean más que errores de medida fruto de una incorrecta formulación de la Teoría de la Relatividad General. Según la nueva formulación de Alexander Mayer, el universo no precisa de la existencia ni de energía ni de materia oscura.

El problema principal de estas explicaciones alternativas es que no explican las cualidades físicas del fondo cósmico de microondas que, por otro lado, sí predicen la existencia de materia oscura no bariónica.

En 2006, un estudio de colisión de cúmulos de galaxias afirmaba demostrar que, incluso en una hipótesis de gravedad modificada, la mayoría de la masa tiene que ser alguna forma de materia oscura demostrando que cuando la materia regular es "barrida" de un cúmulo, los efectos gravitacionales de la materia oscura permanecen. Un estudio afirma que TeVeS puede producir el efecto observado, pero esto continúa necesitando que la mayoría de la masa esté en forma de materia oscura, posiblemente en forma de neutrinos ordinarios. También en la Teoría gravitacional no-simétrica se afirma que cualitativamente encaja con las observaciones sin necesitar la exótica materia oscura.


  • Explicación de la mecánica cuántica.

En otra clase de teorías se intenta reconciliar la Gravedad con la Mecánica cuántica y se obtienen correcciones a la interacción gravitacional convencional.
En la teoría de la relatividad de escala Laurent Nottale, el espacio-tiempo es continuo pero no diferenciable, conduciendo a la aparición de una Ecuación de Schrödinger gravitacional. Como resultado, aparecen los efectos de cuantización a gran escala. Esto hace posible predecir correctamente las estructuras a gran escala del Universo sin la necesidad de las hipótesis de la materia oscura.

Algunas teorías sobre la materia oscura son las siguientes:
  • Teoría de los supercúmulos- afirma que el neutrino es el constituyente de la materia oscura.
  • Teoría denominada Machos- trata de atribuir la existencia de materia oscura a estructuras como agujeros negros, estrellas enanas blancas, etc.
  • Teoría de las Wimps- propone como componentes de la materia oscura a hipotéticas partículas exóticas aun no descubiertas.

La energía oscura también tiene sus repercusiones:

Actualmente el misterio de la energía oscura continua, ya que sus efectos sobre la expansión del Universo es el opuesto al de la materia y energía normal.
Una repercusiones de la energía oscura es que afecta a la teoría de la gravedad de Einstein, por lo que una solución sería considerar dicha teoría como incorrecta, aunque esto modificaría la manera en que la materia normal de las galaxias y de los grupos de galaxias se comportan. Este hecho plantearía si la solución a la energía oscura es plantear una nueva teoría de la gravedad o no. Hay teorías que son candidatas pero no son convenientes por lo que el misterio continúa.




Referencias


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