Feliz cumpleaños a Vera Rubin: la madre de nuestro Universo de Materia Oscura

Vera Rubin se muestra aquí en 1974, analizando datos de diferentes partes de una galaxia para determinar sus propiedades de rotación. 
El descubrimiento de que los efectos de la gravedad no trazaron el mismo camino que la luz de las estrellas fue uno de los descubrimientos más importantes del siglo XX, y llevó la materia oscura a la corriente principal de la ciencia desde los márgenes, donde había languidecido durante la mayor parte del tiempo del siglo 20. 
Su trabajo cambió nuestra concepción del Universo para siempre.
Crédito: Carnegie Institution for Science / Associated Press.

Pregúntele a un astrofísico de qué está hecho nuestro Universo, y probablemente recibirá una sorpresa sorprendente. Todo lo que conocemos e interactuamos en la Tierra está hecho de los mismos ingredientes normales: protones, neutrones y los electrones que forman los átomos. Lo mismo sucede con el resto de la materia normal que conocemos, pero el Universo cuenta una historia muy diferente. La materia normal es solo el 5% del Universo, con la materia oscura (27%) y la energía oscura (68%) que constituyen la gran mayoría de lo que existe.

Esto no es un prejuicio o una  solución ad hoc que se implementó, sino una conclusión científica. Se llegó a ella basándonos en el conjunto completo de datos que hemos recopilado sobre el Universo. Si desafía tu intuición, no te preocupes, no estas solo. La ciencia que nos condujo a ello es irrefutable, y fue desarrollada por la científica más merecedora de  ganar un Premio Nobel : Vera Rubin . Aquí está la historia que todos deberían saber.

Las dos galaxias grandes y brillantes en el centro del Cúmulo de Coma, NGC 4889 (izquierda) y la ligeramente más pequeña NGC 4874 (derecha). Cada una excede un millón de años luz de tamaño. Pero las galaxias en las afueras, girando tan rápido, apuntan a la existencia de un gran halo de materia oscura en todo el cúmulo. 
La masa de la materia normal por sí sola es insuficiente para explicar esta estructura ligada. 
Crédito: ADAM BLOCK / MOUNT LEMMON SKYCENTER / UNIVERSIDAD DE ARIZONA

Vera Rubin nació el 23 de julio de 1928: hace 92 años . La idea original de la materia oscura surgió cuando aún no había cumplido su quinto cumpleaños. En 1933, Fritz Zwicky estaba estudiando las galaxias del Cúmulo de Coma. Es el cúmulo de galaxias más grande, rico y masivo dentro de unos 500 millones de años luz de la Tierra. Hay miles de galaxias dentro del Cúmulo de Coma, con dos galaxias elípticas gigantes que anclan el centro.

Zwicky tomó nota de dos mediciones importantes que se hicieron de las galaxias dentro de ese cúmulo.

  1. Cuánta luz provenía de esas galaxias, lo que le permitió estimar cuánta masa había en las estrellas en esas galaxias.
  2. Qué tan rápido se movían esas galaxias en relación con el centro del cúmulo, lo que le permitió inferir cuánta masa total estaba presente en todo el cúmulo.

Si el 100% de la masa estuviera en forma de estrellas, estos dos números coincidirían.

Las velocidades de las galaxias en el Cúmulo de Coma, desde el cual la masa total del cúmulo puede ser inferida para mantenerlo gravitacionalmente ligado. 
Tenga en cuenta que estos datos, tomados más de 50 años después de las afirmaciones iniciales de Zwicky, coinciden casi perfectamente con lo que el mismo Zwicky obtuvo en 1933.
Crédito: G. GAVAZZI, (1987) / REVISTA ASTROFÍSICA, 320, 96
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Pero, como señaló Zwicky, no solo no coincidían, sino que ni siquiera estaban cerca. Según el trabajo original de Zwicky de 1933 , estos dos números diferían en un factor enorme de ~ 160, con la masa total excediendo la masa inferida de la luz de las estrellas por esta enorme cantidad. Zwicky fue un paso más allá de este análisis, y propuso que debe haber una nueva forma de materia que no emita o absorba luz para dar cuenta de esta discrepancia: material  voluminoso o materia oscura.

Decir que nadie se tomó en serio el trabajo de Zwicky es un eufemismo. Su trabajo ni siquiera fue citado por otro científico hasta que pasaron 27 años . Si bien su hipótesis de la materia oscura no era la única explicación posible, sin duda merecía consideración. Pero, debido a los prejuicios y las limitaciones astronómicas / astrofísicas de la época, la idea de la materia oscura simplemente no fue tomada en cuenta.

El corazón de la nebulosa Omega se destaca por gas ionizado, nuevas estrellas brillantes, azules, masivas y carriles de polvo en primer plano que bloquean la luz de fondo. Si la materia normal pudiera tomar la forma de gas, polvo, plasma, agujeros negros u otras fuentes no luminosas, ¿tal vez podría ser responsable de toda la ‘masa faltante’ sin la necesidad de materia oscura? Al menos, ese era el pensamiento principal cuando Fritz Zwicky publicó su trabajo por primera vez
Crédito: Sondeo ESO / VST.

Hubo algunas objeciones excelentes que uno podría hacer al trabajo de Zwicky. Por un lado, supuso que todas las estrellas, en promedio, eran similares a nuestro Sol. Por otro, que la relación masa-luz del Sol era una buena estimación de la relación masa-luz de todas las estrellas. Sin embargo, no lo es. El promedio de todas las estrellas da una relación que es aproximadamente tres veces mayor. En lugar de una discrepancia de 160 a 1, esto lo convertiría en un desajuste de 50 a 1.

Otra objeción es que no toda nuestra materia normal está en forma de estrellas. Además de los planetas, también hay nubes de gas, plasmas, polvo, agujeros negros, estrellas fallidas y muchos otros tipos de materia. ¿Quién puede decir que la materia normal no luminosa no podría representar el 98% de lo que hay ahí fuera? Si bien podemos tener ese valor bien cuantificado hoy (es de aproximadamente 13-17%), un Universo 100% lleno de materia normal no se descartó en 1933.

Una galaxia gobernada solo por materia normal (izquierda) mostraría velocidades de rotación mucho más bajas en las afueras que hacia el centro. Esto es similar a cómo se mueven los planetas del Sistema Solar. Sin embargo, las observaciones indican (derecha) que las velocidades de rotación son en gran medida independientes del radio (R) del centro galáctico. Ello lleva a la inferencia de que debe estar presente una gran cantidad de materia invisible u oscura. 
Crédito: USUARIO DE WIKIMEDIA COMMONS INGO BERG / FORBES / E. SIEGEL.

Sin embargo, en la década de 1960, el equipo y las técnicas astronómicas habían mejorado. Los científicos pudieron comenzar a medir qué tan rápido giraban las galaxias individuales. Cuando lo hicieron, notaron algo importante. La cantidad de masa que inferirías para galaxias individuales no podría explicar los movimientos de galaxias individuales dentro de un gran cúmulo como Coma.

Esto no fue suficiente para llevar la idea de la materia oscura a la corriente principal, pero fue suficiente para sugerir una prueba diferente. Medir los movimientos de rotación de diferentes partes de una galaxia individual. Las galaxias espirales, como la nuestra, tienden a tener un bulto central grande y brillante, y se desvanecen a medida que te alejas del centro. Con la mayor parte de la masa concentrada cerca del centro, es de esperar que las regiones externas giren más lentamente que las internas.

La galaxia más brillante y cercana que se confirmó que está más allá del grupo local es NGC 300, a solo 6 millones años luz de distancia. 
Las regiones rosadas que se encuentran a lo largo de los brazos espirales son evidencia de una nueva formación estelar. Es desencadenada por la interacción del gas interno y las ondas de densidad de la estructura interna. Según cómo se distribuye la luz en esta galaxia (concentrada hacia el centro), tenemos muchas razones para esperar que las estrellas de esta galaxia tengan movimientos más rápidos en las regiones centrales y movimientos más lentos en las regiones externas. Sin embargo, esta es una suposición que debe ser probada observacionalmente.
Crédito imagen: ESO / WIDE FIELD IMAGER (WFI)
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Vemos esto en nuestro propio Sistema Solar. Nuestro Sol representa el 99.8% de la masa de nuestro Sistema Solar. Significa que es casi exclusivamente responsable de determinar la órbita de todos los planetas, asteroides, cometas y objetos del Cinturón de Kuiper que conocemos. Mercurio, el planeta más interno, experimenta el tirón gravitacional más fuerte y orbita alrededor del Sol con una velocidad promedio de 48 km / s: más de 100,000 millas por hora.

La Tierra, por otro lado, está casi tres veces más distante que Mercurio, y orbita con una velocidad promedio mucho más baja: 30 km / s, o alrededor de 67,000 millas por hora. La velocidad de los planetas continúa disminuyendo a medida que te mueves hacia afuera, con Neptuno, el planeta más lento y más externo, orbitando a una velocidad promedio de solo 5.4 km / s: solo 12,000 millas por hora.

Hay cuatro exoplanetas conocidos que orbitan alrededor de la estrella HR 8799, todos los cuales son más masivos que el planeta Júpiter. 
Todos estos planetas fueron detectados por imágenes directas tomadas durante un período de siete años, con períodos de estos mundos que van desde décadas hasta siglos. 
Como en nuestro Sistema Solar, los planetas interiores giran alrededor de su estrella más rápidamente, y los planetas exteriores giran más lentamente, como lo predice la ley de la gravedad. 
Crédito: JASON WANG / CHRISTIAN MAROIS.

Si las galaxias funcionaran de manera similar, esperaría encontrar una relación análoga a nuestro Sistema Solar midiendo sus movimientos internos. Los factores que determinan la velocidad orbital de un objeto ligado, son cuánta masa hay interior a la órbita y el tamaño de la órbita. En el Sistema Solar, las velocidades de los planetas nos permiten determinar la masa del Sol, porque conocemos  G , la constante gravitacional. Hallamos así que el Sol contiene el 99.8% de la masa del Sistema Solar.

En una galaxia, debería haber muchas masas contribuyendo en todo momento. Observar cómo se distribuye la luz debería decirle algo sobre cómo se distribuye la masa. Esto debería afectar las velocidades de rotación a diferentes distancias del centro galáctico. Este fue el problema que Vera Rubin se propuso investigar por primera vez.

La Vía Láctea, como se ve desde el observatorio de La Silla. Es una vista impresionante para cualquiera, y una vista espectacular de una gran cantidad de estrellas en nuestra galaxia. Si desea medir las afueras de la galaxia, debe observar las estrellas en las partes externas de la Vía Láctea: lejos del centro galáctico. Estas observaciones son desafiantes, y aunque las primeras conclusiones de Rubin fueron válidas, no fueron ampliamente aceptadas. 
Pero eso cambió con la mejora de los datos .

Crédito: ESO / HÅKON DAHLE.

En su investigación inicial hacia este fin , comenzó a medir estrellas dentro de nuestra propia Vía Láctea. Intentaba determinar qué tan rápido estaban orbitando con respecto al centro galáctico. Estar atrapado dentro de nuestra propia galaxia, ¡es una observación desafiante! El disco externo de la Vía Láctea es más fácilmente visible si miras en sentido opuesto a la dirección del centro galáctico. Esa es exactamente la dirección incorrecta para medir un movimiento en la línea de visión, ya que las estrellas deberían estar girando alrededor del centro galáctico transversal a nuestra perspectiva.

Concluyó que la parte exterior de la galaxia tenía las mismas velocidades de rotación y no una más baja, que las regiones interiores. No es sorprendente, entonces, que estos resultados fueran ampliamente rechazados. Pero la opinión de los astrónomos no la disuadiría. Armada con un nuevo espectrógrafo, Vera Rubin, junto con Kent Ford, intentaron medir exactamente cómo giraban las galaxias.

Vera Rubin, se muestra operando el telescopio de 2.1 metros en el Observatorio Nacional Kitt Peak con el Espectrógrafo de Kent Ford adjunto. 
Las observaciones hechas a las curvas de rotación de las galaxias, comenzando con Andrómeda (M31) a fines de la década de 1960, y continuando hasta la década de 1970, llevaron a la conclusión de que la materia normal sola, bajo las leyes de gravedad que conocemos, no puede explicar el Universo como lo vemos.
Crédito: NOAO / AURA / NSF

La primera galaxia en la que se fijaron, en 1968 , fue Andrómeda.  Andrómeda es la galaxia grande más cercana, ocupando la friolera de tres grados en el cielo (aproximadamente el diámetro de seis Lunas llenas). En la década de 1880, se tomó la primera fotografía de larga exposición de Andrómeda, revelando su estructura en espiral. Al estar casi de borde desde nuestra perspectiva, significa que un lado debería estar girando hacia nosotros y el otro debería hacerlo alejándose. 

He aquí, Andrómeda indicó el mismo efecto desconcertante que mostró su investigación anterior sobre la Vía Láctea. Las regiones externas de la galaxia giraban tan rápido como las regiones internas. A lo largo de la década de 1970, Rubin continuó su trabajo y lo extendió a muchas galaxias en una variedad de distancias. Todas exhibieron el mismo efecto: sus curvas de rotación no siguieron la ingenua relación que esperábamos entre masa y luz.

Las curvas observadas (puntos negros) junto con la materia normal total (curva azul). Junto a ellas varios componentes de estrellas y gas que contribuyen a las curvas de rotación de las galaxias. Observe cómo la materia normal, por sí sola, no puede explicar los movimientos internos observados en las galaxias. 
Estos resultados han llevado a la aceptación general de la materia oscura y a una revolución en la cosmología y nuestra concepción del Universo .
Crédito: LA RELACIÓN DE ACELERACIÓN RADIAL EN GALAXIAS CON SOPORTE ROTACIONAL, STACY MCGAUGH, FEDERICO LELLI Y JIM SCHOMBERT, 2016
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Esta no era la prueba de la materia oscura que podría haber estado esperando, ya que había muchas explicaciones posibles para las observaciones de Rubin. Poco después, sin embargo, entraron otras líneas de evidencia independientes, apoyando una imagen unificada de la cosmología. La nucleosíntesis del Big Bang demostró que solo el 5% del total del Universo podría explicarse por la materia normal. Las lentes gravitacionales y la formación de estructuras a gran escala indicaron que el 25-30% del Universo era alguna forma de materia en general.

El fondo cósmico de microondas reveló que la relación entre la materia normal y la materia oscura es de 1 a 5. Esto fue confirmado por la detección de oscilaciones acústicas bariónicas, que llegan a la misma cifra. Publicada la investigación de Rubin, Zwicky de repente, se encontró en la corriente principal:  la Royal Astronomical Society le otorgó la Medalla de Oro .

Hoy, la creencia de que la materia oscura impulsa principalmente la formación de la estructura cósmica es casi universal. La materia normal dentro formando estrellas y otros objetos ricos y colapsados.

Según modelos y simulaciones, todas las galaxias deberían estar incrustadas en halos de materia oscura, cuyas densidades alcanzan su punto máximo en los centros galácticos. En escalas de tiempo suficientemente largas, de quizás mil millones de años, una sola partícula de materia oscura de las afueras del halo completará una órbita. 
Los efectos del gas, la retroalimentación, la formación de estrellas, las supernovas y la radiación complican este entorno Esto hace que sea extremadamente difícil extraer predicciones universales de materia oscura. 
Crédito: NASA, ESA Y T. BROWN Y J. TUMLINSON (STSCI)

La materia oscura debería impulsar la formación de la estructura en todas las escalas grandes. Cada galaxia consistiría en un halo grande y difuso de materia oscura que sea mucho menos denso y más difuso que la materia normal. La materia normal se agrupa, ya que puede unirse e interactuar. Sin embargo la materia oscura simplemente pasa a través de sí misma y de la materia normal. Sin materia oscura, el Universo no coincidiría con nuestras observaciones.

Pero esta rama de la ciencia realmente comenzó con el trabajo revolucionario de Vera Rubin. Mientras que muchos, incluyéndome a mí, nos burlaremos del comité Nobel por desairar su ciencia revolucionaria , ella realmente cambió el Universo . En lo que habría sido su cumpleaños número 92, recuérdala en sus propias palabras:

No dejes que nadie te deprima por razones tontas, como quién eres, y no te preocupes por los premios y la fama. El verdadero premio es encontrar algo nuevo por ahí.

50 años después, todavía estamos investigando el misterio que descubrió Vera Rubin. Que siempre haya más para aprender.

Fuente: Start With a Bang / Forbes.

Artículo original: «Happy Birthday To Vera Rubin: The Mother Of Our Dark Matter Universe«. Ethan Siegel, Senior Contributor Starts With A Bang.

Material relacionado:

Una reseña de la biografía de Vera Rubin la puedes ver en:

El artículo ahora clásico, de la pluma de Vera Rubin, donde describe que gran parte de la materia en las galaxias espirales no emite luz. Además, no se concentra cerca del centro de las galaxias.

Con la muerte de Vera Rubin (2016), volvemos sobre los pasos de su descubrimiento más importante. Al observar la velocidad de las estrellas y el gas en órbita alrededor de una galaxia, encontró una peculiaridad misteriosa en los resultados. Investigándola, halló evidencia ineludible que condujo al descubrimiento de materia invisible y misteriosa, 5 veces más masiva que cualquier otra materia en el Universo.

Sobre la situación actual en el estudio de la Materia Oscura:

Un nuevo tipo de galaxias recientemente detectado , las “galaxias oscuras”

Con una luminosidad muy débil porque tienen muy pocas estrellas que además son rojas frías (entonces viejas), encontradas en cúmulos de galaxias, deben contener una importante cantidad de masa en forma de materia oscura para mantenerse en una sola pieza y no ser despedazadas gravitatoriamente por sus galaxias vecinas:

Un artículo sobre el experimento de detección de Materia Oscura más conocido y discutido, DAMA/LIBRA

DAMA/LIBRA ha reportado una modulación anual en la ocurrencia de eventos, compatible con lo esperado en los modelos comunes de Materia Oscura. Estos muestran que la cantidad de eventos por unidad de tiempo es modulada por la rotación terrestre en torno al Sol.

Sobre el modelo WIMP

Un excelente artículo publicado en el 2010, hace una revisión del modelo más aceptado para la Materia Oscura, WIMP por (Weakly Interacting Massive Particles). Presenta los experimentos en curso, incluyendo los del LHC en el CERN, que validarán o no dicho modelo.

Un enfoque diferente: la Teoría MOND

Existe una corriente de pensamiento que propone una alternativa a la Materia Oscura, la Teoría de la Gravitación Modificada, (Modified  Newtonian Dynamics, MOND) para explicar los efectos observados que se le atribuyen a la Materia Oscura:

Recientes  reveses a la Materia Oscura:

Lisa Randall , Física Teórica de Harvard, propuso que tal vez haya un disco de Materia Oscura que atraviesa el plano de nuestra galaxia. El análisis de los primeros datos suministrados por GAIA lo descarta. Ver el libro de la autora en el apartado “Libros” y ver el video de Lisa Randall en la sección videos, presentando la teoría del disco).

Un trabajo realizado en 2016 pone en tela de juicio la existencia de la Materia Oscura al hallar una correlación entre la velocidad de rotación de una galaxia espiral y su masa visible:

Libros:

Videos:

Documentales y cortos:

Conferencias TEDx:

Conferencias y charlas públicas:

En Español:

En Portugués brasilero:

En Inglés:

Tim Wogan es un escritor de ciencia basado en el Reino Unido.

Curiosidades:

El caso de una Galaxia desprovista de Materia Oscura.

Esta gran galaxia de aspecto difuso es tan difusa que los astrónomos la llaman galaxia “transparente” porque pueden ver claramente galaxias distantes detrás de ella. El objeto fantasmal, catalogado como NGC 1052-DF2, no tiene una región central notable, o incluso brazos en espiral y un disco, características típicas de una galaxia espiral. Pero tampoco parece una galaxia elíptica. Incluso sus cúmulos globulares son extraños: son dos veces más grandes que las agrupaciones estelares típicas observadas en otras galaxias. Todas estas rarezas palidecen en comparación con el aspecto más extraño de esta galaxia: a NGC 1052-DF2 le falta la mayor parte, si no la totalidad, de su Materia Oscura. 
Crédito: P. van Dokkum; R. Abraham; STScI, Instituto de Ciencia del Telescopio Espacial. .

En un desarrollo revolucionario, un equipo de astrónomos descubrió que una galaxia llamada NGC1052-DF2 con apariencia de una leve mancha, puede no tener materia oscura. Los resultados del grupo muestran que DF2 tiene menos materia oscura de lo previsto por un factor de al menos 400 . Eso es un gran problema. Los astrónomos nunca antes habían visto una galaxia como esta, y plantea preguntas interesantes sobre las galaxias y la materia oscura.

El siguiente artículo lo presenta:

Ver también:

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