Materia oscura

Imagen compuesta del cúmulo de galaxias CL0024+17 tomadapor el telescopio espacial Hubble muestra la creación de un efectode lente gravitacional. Se supone que este efecto se debe, en granparte, a la interacción gravitatoria con la materia oscura.

En astrofísica y cosmología física se denomina mate-ria oscura a la hipotética materia que no emite suficien-te radiación electromagnética para ser detectada con losmedios técnicos actuales, pero cuya existencia se puedededucir a partir de los efectos gravitacionales que cau-sa en la materia visible, tales como las estrellas o lasgalaxias, así como en las anisotropías del fondo cósmi-co de microondas presente en el universo.No se debe confundir la materia oscura con la energía os-cura. De acuerdo con las observaciones actuales (2010)de estructuras mayores que una galaxia, así como lacosmología del Big Bang, la materia oscura constituye delorden del 21% de la masa-energía del Universo observa-ble y la energía oscura el 70%.[1]

La materia oscura fue propuesta por Fritz Zwicky en1933 ante la evidencia de una “masa no visible”[2] queinfluía en las velocidades orbitales de las galaxias en loscúmulos. Posteriormente, otras observaciones han indi-cado la presencia de materia oscura en el universo: estasobservaciones incluyen la citada velocidad de rotación delas galaxias, las lentes gravitacionales de los objetos defondo por los cúmulos de galaxias, tales como el CúmuloBala (1E 0657-56) y la distribución de la temperatura delgas caliente en galaxias y cúmulos de galaxias.La materia oscura también desempeña un papel centralen la formación de estructuras y la evolución de galaxias y

tiene efectos medibles en la anisotropía de la radiación defondo de microondas. Todas estas pruebas sugieren quelas galaxias, los cúmulos de galaxias y todo el Universocontiene mucha más materia que la que interactúa conla radiación electromagnética: lo restante es llamado “elcomponente de materia oscura”.La composición de la materia oscura se desconoce, peropuede incluir neutrinos ordinarios y pesados, partículaselementales recientemente postuladas como los WIMPsy los axiones, cuerpos astronómicos como las estrellasenanas, los planetas (colectivamente llamados MACHO)y las nubes de gases no luminosos. Las pruebas actualesfavorecen los modelos en que el componente primario dela materia oscura son las nuevas partículas elementalesllamadas colectivamente materia oscura no bariónica.El componente de materia oscura tiene bastante más ma-sa que el componente “visible” del Universo.[3] En el pre-sente, la densidad de bariones ordinarios y la radiaciónen el Universo se estima que son equivalentes aproxima-damente a un átomo de hidrógeno por metro cúbico deespacio. Sólo aproximadamente el 5% de la densidad deenergía total en el Universo (inferido de los efectos gra-vitacionales) se puede observar directamente. Se estimaque en torno al 23% está compuesto de materia oscura.El 72% restante se piensa que consiste de energía oscura,un componente incluso más extraño, distribuido difusa-mente en el espacio.[4] Alguna materia bariónica difícilde detectar realiza una contribución a la materia oscu-ra, aunque algunos autores defienden que constituye sólouna pequeña porción.[5][6] Aún así, hay que tener en cuen-ta que del 5% de materia bariónica estimada (la mitadde ella todavía no se ha detectado) se puede considerarmateria oscura bariónica: Todas las estrellas, galaxias ygas observable forman menos de la mitad de los bario-nes (que se supone debería haber) y se cree que toda estamateria puede estar distribuida en filamentos gaseosos debaja densidad formando una red por todo el universo y encuyos nodos se encuentran los diversos cúmulos de gala-xias. En mayo de 2008, el telescopio XMM-Newton dela agencia espacial europea ha encontrado pruebas de laexistencia de dicha red de filamentos.[7]

La determinación de la naturaleza de esta masa no visi-ble es una de las cuestiones más importantes de la cosmo-logía moderna y la física de partículas. Se ha puesto demanifiesto que los nombres “materia oscura” y la “energíaoscura” sirven principalmente como expresiones de nues-tra ignorancia, casi como los primeros mapas etiquetadoscomo "Terra incógnita".[4]

1

2 1 PRUEBAS DE OBSERVACIONES

1 Pruebas de observaciones

La primera persona en proporcionar pruebas y deducirla existencia del fenómeno que se ha llamado “materiaoscura” fue el astrofísico suizo Fritz Zwicky, del InstitutoTecnológico de California (Caltech) en 1933.[8]

Aplicó el teorema de virial al cúmulo de galaxias Coma yobtuvo pruebas de masa no visible. Zwicky estimó la ma-sa total del cúmulo basándose en los movimientos de lasgalaxias cercanas a su borde. Cuando comparó esta masaestimada con la estimada en el número de galaxias y conel brillo total del cúmulo, encontró que había unas 400veces más masa de la esperada. La gravedad de las gala-xias visibles en el cúmulo resultaba ser muy poca para talvelocidad orbital, por lo que se necesita mucha más. Estoes conocido como el “problema de la masa desaparecida”.Basándose en estas conclusiones, Zwicky dedujo que ten-dría que haber alguna forma de “materia no visible” queproporcionaría suficiente masa y gravedad constituyendotodo el cúmulo.Muchas de las evidencias de la existencia de materia os-cura provienen del estudio de los movimientos de lasgalaxias.Muchas de estas parecen ser bastante uniformes,con lo que el teorema de virial de la energía cinética totaldebería ser la mitad del total de la energía gravitacionalde las galaxias. Sin embargo, se ha hallado experimental-mente que la energía cinética total es mucho mayor: enparticular, asumiendo que la masa gravitacional es debi-da sólo a la materia visible de la galaxia, las estrellas ale-jadas del centro de las galaxias tienen velocidades muchomayores que las predichas por el teorema de virial. Lacurva de rotación galáctica que muestra la velocidad derotación frente a la distancia del centro de la galaxia, nose puede explicar sólo mediante la materia visible. Supo-niendo que la materia visible conforma sólo una pequeñaparte del cúmulo, es la manera más sencilla de tener encuenta esto. Las galaxias muestran signos de estar com-puestas principalmente de un halo de materia oscura con-centrado en su centro, con simetría casi esférica, con lamateria visible concentrada en un disco central. Las gala-xias de brillo débil superficial son fuentes importantes deinformación para el estudio de la materia oscura, ya quetienen una baja proporción de materia visible respecto dela materia oscura, y tienen varias estrellas brillantes en elcentro que facilita la observación de la curva de rotaciónde estrellas periféricas.De acuerdo con los resultados publicados en agosto de2006, la materia oscura se ha detectado por separado dela materia ordinaria[9][10] a través de medidas del Cúmu-lo Bala, realmente dos cúmulos de galaxias cercanos quecolisionaron hace unos 150 millones de años.[11] Los in-vestigadores analizaron los efectos de las lentes gravita-cionales para determinar la masa total de la distribuciónambas y la compararon con los mapas de rayos X de gasescalientes, que se pensaba que constituían la mayor partede lamateria ordinaria en los cúmulos. Los gases calientesinteractuaron durante la colisión y permanecieron cerca

del centro. Las galaxias individuales y la materia oscurano interactuaron y están más alejadas del centro.

1.1 Curvas de rotación galáctica

Distance

Velocity

A

B

Curva de rotación de una galaxia espiral típica: predicho (A) yobservado (B). La materia oscura explicaría la apariencia planade la curva de rotación en radios grandes.

Durante casi 40 años después de las observaciones ini-ciales de Zwicky, ninguna otra observación corroboran-do las observaciones indicó que la relación masa-luz eradistinta de la unidad (una alta relación masa-luz indica lapresencia de la materia oscura). Pero a finales de los años1960 y 1970, Vera Rubin, una astrónoma del Departa-mento de Magnetismo Terrestre del Carnegie Institutionof Washington presentó los hallazgos basados en un nue-vo espectrógrafo muy sensible que podía medir la curvade velocidad de galaxias espirales con un grado de preci-sión mayor que cualquier otro conseguido anteriormente.Junto con su compañero de staff Kent Ford, Rubin anun-ció en un encuentro en 1975 de la American Astronomi-cal Society el asombroso descubrimiento de que muchasestrellas en distintas órbitas de galaxias espirales girabana casi la misma velocidad angular, lo que implicaba quesus densidades eran muy uniformes más allá de la loca-lización de muchas de las estrellas (el bulbo galáctico).Este resultado sugiere que incluso la gravedad newtonia-na no se aplica universalmente o que, conservativamente,más del 50% de la masa de las galaxias estaba contenidaen el relativamente oscuro halo galáctico. Este descubri-miento fue inicialmente tomado con escepticismo peroRubin insistió en que las observaciones eran correctas.Posteriormente, otros astrónomos empezaron a corrobo-rar su trabajo y se logró determinar muy bien el hechode que muchas galaxias estuvieran dominadas por “ma-teria oscura”, y las excepciones parecían ser las galaxiascon relaciones masa-luz cercanas a las de las estrellas.Consecuencia de esto, numerosas observaciones han in-dicado la presencia de materia oscura en varias partes delcosmos. Junto con los hallazgos de Rubin para las gala-xias espirales y el trabajo de Zwicky sobre los cúmulosde galaxias, se han estado recopilando más evidencias re-lacionadas con la materia oscura durante décadas hasta elpunto de que hoy muchos astrofísicos aceptan su existen-cia. Como un concepto unificador, la materia oscura es

1.3 Materia oscura en cúmulos de galaxias 3

una de las características dominantes consideradas en elanálisis de estructuras a escala galáctica y mayores.

1.2 Velocidad de dispersión de galaxias

El trabajo pionero de Rubin ha resistido la prueba deltiempo. Las medidas de las curvas de velocidad en ga-laxias en espiral pronto continuaron con velocidades dedispersión de galaxias elípticas. Mientras algunas vecesaparece con menores relaciones masa-luz, las medidas deelípticas siguen indicando un relativamente alto conte-nido en materia oscura. Así mismo, las medidas de losmedios interestelares difusos encontrados en el borde delas galaxias indican no sólo las distribuciones de materiaoscura que se extienden más allá del límite visible de lasgalaxias, sino también de que las galaxias son virializadaspor encima de diez veces su radio visible. Esto supusoestimar la materia como una fracción de la suma total demasa de gravitación desde el 50%medido por Rubin has-ta la actualmente estimada de casi el 95%.Hay lugares donde la materia oscura parece ser un peque-ño componente o estar totalmente ausente. Los cúmulosglobulares no muestran evidencias de contener materiaoscura, aunque sus interacciones orbitales con las galaxiasmuestran pruebas de materia oscura galáctica. Durantealgún tiempo, las mediciones del rango de velocidad delas estrellas parecía indicar la concentración de la materiaoscura en el disco galáctico de la Vía Láctea; sin embar-go, ahora parece que la alta concentración de la materiabariónica en el disco de la galaxia (especialmente en elmedio interestelar) puede influir en este movimiento. Losperfiles de las masas de las galaxias se piensa que parecenmuy diferentes de los perfiles de la luz. El modelo típicopara las galaxias de materia oscura es una distribución li-sa y esférica en halos virializados. Ese tendría que ser elcaso para evitar los efectos dinámicos a pequeña escala(estelar). Las investigaciones realizadas en enero de 2006en la Universidad de Massachusetts, Amherst explicaríanla previamente misteriosa curvatura en el disco de la VíaLáctea por la interacción de la Grande y la Pequeña Nubede Magallanes y la predicha de un incremento de 20 ve-ces la masa de la Vía Láctea teniendo en cuenta la materiaoscura.En (2005), los astrónomos de la Universidad de Car-diff expusieron haber descubierto una galaxia compues-ta casi enteramente de materia oscura, a 50 millonesde años luz del Cúmulo de Virgo, que fue denomina-da VIRGOHI21.[12] Inusualmente, VIRGOHI21 no pa-rece contener ninguna estrella visible: fue vista con ob-servaciones de radio-frecuencia de hidrógeno. Basada enlos perfiles de rotación, los científicos estimaron que esteobjeto contiene aproximadamente 1000 veces más ener-gía oscura que el hidrógeno y tiene una masa total de undécimo de la Vía Láctea. Por comparación, la Vía Lác-tea se cree que tiene unas diez veces más materia oscuraque materia ordinaria. Los modelos del Big Bang y de laEstructura a gran escala del Universo han sugerido que

tales galaxias oscuras deberían ser muy comunes en elUniverso, pero no ha sido detectada ninguna. Si la exis-tencia de estas galaxias oscuras se confirmase, proporcio-nará una gran prueba para la teoría de la formación de lasgalaxias y plantearía problemas para explicaciones alter-nativas a la materia oscura.

1.3 Materia oscura en cúmulos de galaxias

Efecto de las lentes gravitacionales fuertes observado por elTelescopio espacial Hubble en Abell 1689 que indica la presenciade materia oscura. Agrandar la imagen para ver las curvaturasproducidas por las lentes gravitacionales. Créditos: NASA/ESA

La materia oscura también afecta a las agrupaciones ga-lácticas. Las medidas de Rayos X del caliente gas intra-cumular se corresponden íntimamente a las observacio-nes de Zwicky de las relaciones masa-luz para grandescúmulos de casi 10 a 1. Muchos de los experimentos delObservatorio de rayos X Chandra utilizan esta técnica pa-ra determinar independientemente la masa de los cúmu-los.El cúmulo de galaxias Abell 2029 está compuesto de mi-les de galaxias envueltas en una nube de gas caliente y unacantidad de materia oscura equivalente a más de 1014 so-les. En el centro de este cúmulo hay una enorme galaxiacon forma elíptica que se piensa que se formó a partirde la unión de muchas galaxias más pequeñas.[13] Las ve-locidades orbitales de las galaxias medidas dentro de loscúmulos de galaxias son consistentes con las observacio-nes de materia oscura.Una importante herramienta para detectar la materia os-cura son las lentes gravitacionales. Estas lentes son unefecto de la relatividad general que predice la dinámicaque depende de las masas, siendo un medio completa-mente independiente de medir la energía oscura. En laslentes fuertes, la curvada distorsión observada de las ga-

4 2 COMPOSICIÓN DE LA MATERIA OSCURA

laxias de fondo, cuando la luz pasa a través de una lentegravitacional, ha sido observada alrededor de un cúmulopoco distante como el Abell 1689. Midiendo la distorsióngeométrica, se puede obtener la masa del cúmulo que cau-sa el fenómeno. En docenas de casos donde se ha hechoesta medición, las relaciones masa-luz obtenidas se co-rresponden a las medidas de materia oscura dinámica delos cúmulos.Durante los últimos diez años se ha desarrollado una téc-nica —tal vez más convincente— llamada lentes débilesquemide las distorsiones de galaxias a unamicroescala enlas grandes distancias debidas a objetos de fondo median-te análisis estadístico. Examinando la deformación de lasgalaxias de fondo adyacentes, los astrofísicos pueden ob-tener la distribución media de energía oscura por méto-dos estadísticos y encontrar las relaciones masa-luz que secorresponden con las densidades de materia oscura predi-chas por otras mediciones de estructuras a gran escala. Lacorrespondencia de las dos técnicas: la de lentes gravita-cionales junto con otras medidas de materia oscura, hanconvencido a casi todos los astrofísicos de que la materiaoscura es realmente el mayor componente del Universo.

1.4 Formación de estructuras

La materia oscura es crucial para el modelo cosmológicodel Big Bang como un componente que se correspondedirectamente con las medidas de los parámetros asocia-dos con la métrica FLRW a la relatividad general. En par-ticular, las medidas de las anisotropías del fondo cósmicode microondas se corresponden a una cosmología dondegran parte de la materia interactúa con los fotones de for-ma más débil que las fuerzas fundamentales conocidasque acoplan las interacciones de la luz con la materia ba-riónica. Así mismo, se necesita una cantidad significativade materia fría no-barionica para explicar la estructura agran escala del universo.Las observaciones sugieren que la formación de estructu-ras en el Universo procede jerárquicamente, con las es-tructuras más pequeñas uniéndose hasta formar galaxiasy después cúmulos de galaxias. Según se unen las estruc-turas en la evolución del Universo, empiezan a “brillar” yaque la materia bariónica se calienta a través de la contrac-ción gravitacional y los objetos se aproximan al equilibriohidrostático. La materia barionica ordinaria tendría unatemperatura demasiado alta y demasiada presión libera-da desde el Big Bang para colapsar y formar estructurasmás pequeñas, como estrellas, a través de la inestabilidadde Jeans. La materia oscura actúa como un compactadorde estructuras. Este modelo no sólo se corresponde coninvestigaciones estadísticas de la estructura visible en elUniverso sino también se corresponden de forma precisacon las predicciones de materia oscura de la radiación defondo de microondas.Este modelo inverso de formación de estructuras necesi-ta algún tipo de la materia oscura para funcionar. Se han

utilizado simulaciones por ordenador de miles de millo-nes de partículas de materia oscura para confirmar queel modelo de materia oscura fría de la formación de es-tructuras es consistente con las estructuras observadas enel Universo mediante las observaciones de galaxias, co-mo la Sloan Digital Sky Survey y la 2dF Galaxy RedshiftSurvey, así como las observaciones del bosque Lyman-alfa. Estos estudios han sido cruciales en la construccióndel modelo Lambda-CDM que mide los parámetros cos-mológicos, incluyendo la parte del Universo formada porbariones y la materia oscura.

2 Composición de la materia oscu-ra

Problemas no resueltos de la física : ¿Qué es la materiaoscura? ¿Cómo se genera? ¿Está relacionada con lasupersimetría?

Aunque la materia oscura fue detectada por lentes gra-vitacionales en agosto de 2006,[14] muchos aspectos dela materia oscura continúan siendo cuestionados. En elexperimento DAMA/NaI se afirma haber detectado ma-teria oscura pasando a través de la Tierra, aunque muchoscientíficos siguen siendo escépticos al respecto, ya que losresultados negativos de otros experimentos son (casi) in-compatibles con los resultados del DAMA si la materiaoscura consiste en neutralinos.Los datos de varios tipos de pruebas, como el problemade la rotación de las galaxias, las lentes gravitacionales, laformación de estructuras y la fracción de bariones en cú-mulos y la abundancia de cúmulos, combinada con prue-bas independientes para la densidad bariónica, indicanque el 85-90% de la masa en el Universo no interactúacon la fuerza electromagnética. Esta “materia oscura” seevidencia por su efecto gravitacional. Se han propuestovarias categorías de materia oscura:

• Materia oscura bariónica.

• Materia oscura no-bariónica[15] que está dividida entres tipos diferentes:

• Materia oscura caliente: partículas no barióni-cas que se mueven ultrarrelativistamente.[16]

• Materia oscura templada: partículas no barió-nicas que se mueven relativistamente.

• Materia oscura fría: partículas no bariónicasque no se mueven relativistamente.[17]

Davis y otros escribieron en 1985:

5

Las partículas candidatas se pueden agru-par en tres categorías basándose en su efectoen las fluctuaciones del espectro (Bond et al.1983). Si la materia oscura está compuesta deabundantes partículas ligeras que son relativis-tas hasta poco antes de la recombinación, en-tonces deberían ser denominadas “calientes”.El mejor candidato para la materia oscura ca-liente es el neutrino [...]

Una segunda posibilidad es que las partí-culas de materia oscura interactúen más débil-mente que los neutrinos, sean menos abundan-tes y tengan una masa del orden de 1eV. Talespartículas se denominan “materia oscura tem-plada”, porque tienen menos velocidad térmicaque los neutrinos masivos [...] actualmente hayalgunas partículas candidatas que cumplen es-ta descripción. Se han sugerido los gravitinos ylos fotinos (Pagels y Primack 1982; Bond, Sza-lay y Turner 1982) [...]

Cualquier partícula que se convierta en no-relativista rápidamente y así pueda reflejarsea una distancia insignificante, es llamada ma-teria oscura fría. Hay muchos candidatos pa-ra la materia oscura fría, como las partículassupersimétricas[18]

La materia oscura caliente consiste en partículas que via-jan con velocidades relativistas. Se conoce un tipo de ma-teria oscura caliente, el neutrino. Los neutrinos tienen unamasa muy pequeña, no interactúan a través de fuerzaselectromagnéticas o de la fuerza nuclear fuerte y son, portanto, muy difíciles de detectar. Esto es lo que les haceatractivos como materia oscura. Sin embargo, los lími-tes de los neutrinos indican que los neutrinos ordinariossólo harían una pequeña contribución a la densidad de lamateria oscura.La materia oscura caliente no puede explicar cómo se for-maron las galaxias desde el Big Bang. La radiación defondo de microondas medida por el COBE y el WMAP,es increíblemente homogénea, indica que la materia seha agrupado en escalas muy pequeñas. Las partículas demovimiento rápido, sin embargo, no pueden agruparse entales pequeñas escalas y, de hecho, suprimen la agrupa-ción de otra materia. La materia oscura caliente, aunqueexiste en nuestro Universo en forma de neutrinos es, portanto, la única parte de la historia.El Modelo de concordancia necesita que, para explicar laestructura en el Universo, es necesario invocar la materiaoscura fría (no-relativista). Las grandes masas, como losagujeros negros del tamaño de galaxias pueden ser des-cartados con las bases de los datos de las lentes gravita-cionales. Las posibilidades involucrando materia barióni-ca normal incluyen enanas marrones o tal vez pequeños ydensos pedazos de elementos pesados que son conocidoscomo Objetos de tipo halo masivos compactos (massivecompact halo object) o “MACHOs”. Sin embargo, los es-

Distribución estimada de materia y energía oscura en elUniverso.[19]

tudios de la Nucleosíntesis del Big Bang han convencidoa muchos científicos de que la materia bariónica como losMACHOs no pueden ser más que una pequeña fracciónde la materia oscura total.El punto de vista más aceptado es que la materia os-cura es principalmente no-bariónica, compuesta de unao más partículas elementales distintas de las normaleselectrones, protones, neutrones y los neutrinos conocidos.Las partículas propuestas más comunes son los axiones,neutrinos estériles y WIMPs (partículas masivas de inter-acción débil, incluyendo neutralinos). Ninguna de éstases parte del modelo estándar de física de partículas, pe-ro pueden aparecer en ampliaciones del modelo estándar.Muchos modelos supersimétricos ocasionan naturalmen-te los WIMPs en forma de neutralinos. Los pesados, neu-trinos estériles existen en ampliaciones del modelo están-dar que explica la pequeña masa de los neutrinos a travésdel mecanismo del balancín.Han sido llevadas a cabo búsquedas experimentales de es-tos candidatos a materia oscura y continúan. Estos esfuer-zos se pueden dividir en dos grandes categorías: detec-ción directa, en los que las partículas de materia oscurasse observan en un detector, y la detección indirecta quebusca los productos de aniquilaciones de materia oscu-ra. Los experimentos de detección de materia oscura handescartado algunos modelos de WIMP y axiones. Tam-bién hay varios experimentos reclamando pruebas positi-vas de detección de materia oscura, como el DAMA/NaIy el Egret, pero están lejos de ser confirmados y difícil-mente reconcilian los resultados negativos de otros expe-rimentos. Varias búsquedas de materia oscura están ac-tualmente en proceso, como la Cryogenic Dark MatterSearch en la Mina de Soudan y el experimento XENONen Gran Sasso y otros que están en desarrollo, como elexperimento ArDM.En investigaciones publicadas en la primavera de 2006,los investigadores del Instituto de Astronomía de laUniversidad de Cambridge afirman haber calculado quela energía oscura sólo está en cúmulos mayores de 1.000años luz de radio, implicando una velocidad media paralas partículas de materia oscura de 9 km/s, una densidadde 20 amu/cm³ y una temperatura de 10.000 kelvins.[20]

6 4 EXPLICACIONES ALTERNATIVAS

2.1 La materia oscura y la antimateria

La materia oscura, la energía oscura y la antimateria sontres cosas absolutamente distintas. La antimateria es co-mo la materia común de la que estamos hechos, pero con-formada por partículas cuya carga eléctrica es de signocontrario. Por ejemplo, un anti-electrón (por razones his-tóricas también conocido como positrón), es una partícu-la igual al electrón, con su misma masa y carga pero designo eléctrico positivo (el electrón tiene carga negativa).Y un anti-protón es una partícula con la misma cantidadde masa y carga de un protón, pero con carga de signoeléctrico negativo. La antimateria se forma con antipartí-culas: del mismo modo que un átomo de hidrógeno con-siste en un electrón orbitando alrededor de un protón, sijuntáramos un anti-protón con un anti-electrón podría-mos tener un átomo de anti-hidrógeno, lo cual ha sidologrado en el CERN, por fracciones de segundo. [21]

3 Problema de la materia oscura

Estimaciones basadas en los efectos gravitacionales dela cantidad de materia presente en el Universo sugieren,consistentemente, que hay mucha más materia de la quees posible observar directamente. Además, la existenciade materia oscura resolvería varias inconsistencias en lateoría del Big Bang. Se cree que la mayoría de la masadel Universo existe en esta forma. Determinar cuál es lanaturaleza de la materia oscura es el llamado “problemade la materia oscura” o “problema de la masa desapare-cida” y es uno de los más importantes de la cosmologíamoderna.La cuestión de la existencia de la materia oscura puedeparecer irrelevante para nuestra existencia en la Tierrapero el hecho de que exista o no afecta al destino últimodel Universo. Se sabe que el Universo está expandiéndo-se, por el corrimiento al rojo que muestra la luz de loscuerpos celestes distantes. Si no hubiera materia oscu-ra, esta expansión continuaría para siempre. Si la actualhipótesis de la materia oscura es correcta, y dependiendode la cantidad de materia oscura que haya, la expansióndel Universo podría ralentizarse, detenerse o incluso in-vertirse (lo que produciría el fenómeno conocido comoBig Crunch). Sin embargo, la importancia de la materiaoscura para el destino final del Universo se ha relativizadoen los últimos años, en que la existencia de una constantecosmológica y de una energía oscura parece tener aúnmayor importancia. Según las mediciones realizadas en2003 y 2006 por el satélite WMAP, la expansión del Uni-verso se está acelerando, y se seguirá acelerando debidoa la existencia de la energía oscura, aunque sin causar unBig Rip.

4 Explicaciones alternativas

4.1 Modificaciones de la gravedad

Una explicación alternativa a las cuestiones planteadaspor la materia oscura es suponer que las inconsistenciasobservadas son debidas a una incompleta comprensiónde la gravedad. Para explicar las observaciones, a gran-des distancias, las fuerzas gravitacionales son más fuer-tes de lo que nos indicarían la mecánica newtoniana. Porejemplo, esto podría ocurrir si se toma un valor negati-vo para la constante cosmológica (valor que se estimapositivo en función de recientes observaciones) o si seadopta la teoría de la Dinámica newtoniana modificada(MOND),[22] que corrige las Leyes de Newton para ace-leraciones pequeñas. Sin embargo, la construcción de unateoría MOND relativista ha sido problemática y no es-tá claro como se puede reconciliar con las medidas delas lentes gravitacionales en la curvatura de la luz alrede-dor de las galaxias. La principal teoría MOND relativis-ta, propuesta por Jacob Bekenstein en 2004 es llamadaTeVeS (Tensor-Vector-Scalar) y resuelve muchos de losproblemas de los primeros intentos. Una teoría de grave-dad modificada (MOG) propuesta por John Moffat, ba-sada en la Teoría gravitacional no-simétrica (NGT), estambién una alternativa a la materia oscura.Otra teoría discutida es la Expansión cósmica en esca-la (SEC) de C. Johan Masreliez.[23] Otra aproximación,propuesta por Arrigo Finzi en 1963 y por Robert Sandersen 1984, es reemplazar el potencial gravitacional por lasiguiente expresión:

U = GM(1−Be−r/ρ)(1−B)r

donde B y ρ son parámetros ajustables. En cualquiercaso, tales aproximaciones tienen dificultades explicandola diferencia en el comportamiento de las distintas gala-xias y clústeres, en cambio, tales discordancias pueden serfácilmente comprendidas tomando diferentes cantidadesde materia oscura. Las observaciones sobre la rotación delas galaxias indican que alrededor del 90% de la masa deuna galaxia no es visible y sólo puede ser detectada porsus efectos gravitacionales.Alexander Mayer propone una hipótesis basada en las in-consistencias observadas en la sincronización del sistemaGPS y otras anomalías. En dicha hipótesis, el aumento delcorrimiento hacia el rojo observado en galaxias lejanas yel aparente exceso de masa del universo hace necesarioque dicha materia oscura no sean más que errores de me-dida fruto de una incorrecta formulación de la Teoría dela Relatividad General. Según la nueva formulación deAlexander Mayer, el universo no precisa de la existenciani de energía ni de materia oscura.El problema principal de estas explicaciones alternativases que no explican las anisotropías del fondo cósmico demicroondas que, por otro lado, sí predicen la existenciade materia oscura no bariónica.En agosto de 2006, un estudio de colisión de cúmulos

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de galaxias afirmaba demostrar que, incluso en una hi-pótesis de gravedad modificada, la mayoría de la ma-sa tiene que ser alguna forma de materia oscura demos-trando que cuando la materia regular es “barrida” de uncúmulo, los efectos gravitacionales de la materia oscura(que se pensaba que no interactuaba, aparte de su efec-to gravitacional) permanecen.[24] Un estudio afirma queTeVeS puede producir el efecto observado, pero esto con-tinúa necesitando que la mayoría de la masa esté en for-ma de materia oscura, posiblemente en forma de neutri-nos ordinarios.[25] También en la Teoría gravitacional no-simétrica se afirma que cualitativamente encaja con lasobservaciones sin necesitar la exótica materia oscura.[26]

4.2 Explicaciones de mecánica cuántica

En otra clase de teorías se intenta reconciliar la Gravedadcon la Mecánica cuántica y se obtienen correccionesa la interacción gravitacional convencional. En teoríasescalar-tensoriales, los campos escalares como el campode Higgs se acopla a la curvatura dada a través del ten-sor de Riemann o sus trazas. En muchas de tales teorías,el campo escalar es igual al campo de inflación, que esnecesario para explicar la inflación cósmica del Univer-so después del Big Bang, como el factor dominante dela quintaesencia o energía oscura. Utilizando una visiónbasada en el Grupo de Renormalización, M. Reuter y H.Weyer han demostrado[27] que la constante de Newton yla constante cosmológica pueden ser funciones escalaresen el espacio-tiempo si se asocian las escalas de renorma-lización a los puntos del espacio-tiempo.En la teoría de la relatividad de escala Laurent Nottale, elespacio-tiempo es continuo pero no diferenciable, con-duciendo a la aparición de una Ecuación de Schrödingergravitacional. Como resultado, aparecen los efectos decuantización a gran escala.[28] Esto hace posible predecircorrectamente las estructuras a gran escala del Universosin la necesidad de las hipótesis de la materia oscura.

5 Materia oscura en la cultura po-pular

En algunos videojuegos y otros trabajos de ficción apa-recen menciones a la materia oscura. En tales casos, nor-malmente se le atribuyen propiedades físicas o mágicasextraordinarias. Tales descripciones a menudo son incon-sistentes con las propiedades de la materia oscura pro-puestas en la física y la cosmología. Por ejemplo:

• La serie de televisión Futurama, en la que la mate-ria oscura es maloliente, sirve de combustible a lasnaves espaciales y es tan densa que 10 cm³ pesanmás de 5000 kilogramos. Los niblonianos expelenmateria oscura a manera de desechos fecales.

• En los videojuegos de GBA y Nintendo DS GoldenSun II: La Edad Perdida y Golden Sun: OscuroAmanecer, la materia oscura aparece como un ma-terial que puede ser utilizado para fabricar equipa-miento de batalla.

• En el videojuego deWii Super Mario Galaxy, la ma-teria oscura aparece con la propiedad de crear agu-jeros en suelos, agujeros que “proyectan” la materiaoscura, y finalmente, con una propiedad particularde desintegrar a quien la toque (en este caso Marioo Luigi).

• En el videojuego MMORPG Maple Story, la mate-ria oscura aparece como un objeto que se consiguepor Cash, que con la culminación de ciertas misio-nes, dan ciertos equipamientos y armas raras y ven-tajosas.

• En la saga Final Fantasy la materia oscura es un ítemusado para crear pociones, armas, otros tipos de ar-tefactos.

• En el videojuego para N64 Kirby 64: The CristalShards el enemigo es un ser llamado “Dark Matter”(materia oscura en español) que parece estar com-puesto de esta misma.

• En el videojuego para GC Metroid Prime 2: Echoesla historia transcurre entre un planeta y su semejantecreado a partir de energía oscura. Tanto la protago-nista como algunos enemigos son capaces de usarmateria oscura como armamento.

• En el videojuego para SNESChrono Trigger, Magustiene la última técnica denominada darkmatter (o enespañol “materia oscura”).

• En el juego online Ogame, es unamateria escasa quese encuentra fuera de los sistemas solares usada parapagar mejoras que no pueden poseer otros jugadoresque no la posean.

• En el videojuego para PS2 Final Fantasy XII, la ma-teria oscura es un objeto muy poderoso que puedeusarse para atacar a los enemigos.

• En la trilogía de libros "La materia oscura" de PhilipPullman, la materia oscura es capaz de transmitirmensajes para comunicarse con los humanos, tam-bién es el motivo por el cual el magisterio (en elmundo de Lyra) experimenta con niños, en el mun-do de Lyra Lenguadeplata, la materia oscura es co-nocida como “El polvo”.

• En el videojuego para PlayStation 3 Little Big Pla-net, al material “Materia Oscura” se le atribuyenpropiedades anti-gravitatorias.

• En el videojuego League of Legends, Veigar poseeuna habilidad llamada “materia oscura”.[29]

8 6 REFERENCIAS

• “Dark Matter” (materia oscura en inglés) figura co-mo el nombre de una de las canciones que confor-man Biophilia, proyecto discográfico de la cantanteislandesa Björk.

• En la película Thor: The Dark World, los elfos os-curos poseen un arma llamada "Éter”, capaz de con-vertir la materia en materia oscura.

• En la película Capitán Harlock, los motores de lanave de combate sombra de la muerte Arcadia fun-cionan con materia oscura.

6 Referencias[1] Cf. Peter Schneider, «Cuestiones fundamentales de cos-

mología», Investigación y Ciencia, 405, junio de 2010,págs. 60-69 (61).

[2] Masa ausente en las observaciones “missing mass”, no vi-sible.

[3] NASA (ed.). «Algunas Teorías Ganan, Otras Pierden».,utilizando los datos del WMAP

[4] Cline, David B. (marzo de 2003). La Búsqueda de la Ma-teria Oscura. Scientific American.

[5] Freese, Katherine; Brian Fields, David Graff. Muertede los Candidatos a Materia Oscura Bariónica Estelar.arΧiv:astro-ph/0007444.

[6] Freese, Katherine; Brian D. Field, David S. Graff. Muer-te de la Materia Oscura Bariónica Estelar. arΧiv:astro-ph/0002058.

[7] ESA (ed.). «El XMMdescubre parte de lamateria perdidadel universo».

[8] Zwicky, F. (1933). «Die Rotverschiebung von extraga-laktischen Nebeln». Helvetica Physica Acta 6: 110–127.Zwicky, F. (1937). «Sobre las Masas de Nebulosas y Có-mulos de Nebulosas». Astrophysical Journal 86: 217.

[9] Arxiv (ed.). «A direct empirical proof of the existence ofdark matter - Una prueba empírica directa de la existenciade materia oscura».

[10] SLAC Today (ed.). «La Materia Oscura Observada».

[11] Direct constraints on the dark matter self-interactioncross-section from the merging galaxy cluster 1E0657-56- Restricciones directas a la sección eficaz de autointerac-ción de la materia oscura obtenidas a partir del cúmulo degalaxias en fusión 1E 0657-56 (Cúmulo Bala)

[12] Astronomers claim first 'dark galaxy' find. New Scientist.23 de febrero de 2005.

[13] Observatorio de rayos X Chandra, ed. (11 de junio de2003). «Abell 2029: Hot News for Cold Dark Matter».

[14] NASA (ed.). «La NASA Encuentra Pruebas Directas deMateria Oscura»., en el Observatorio de rayos X Chandra

[15] Joseph, Silk. El Big Bang (1989 edición). pp. Capítulo IX,página 182.

[16] Umemura, Masayuki; Satoru Ikeuchi (1985). «Formationof subgalactic objects within two-component dark matter- Formación de objetos subgalácticos con Materia Oscurade dos componentes». Astrophysical Journal 299: 583—592.

[17] Vittorio, N.; J. Silk (1984). «Fine-scale anisotropy of thecosmic microwave background in a universe dominatedby cold dark matter - Anisotropía de escala fina del fon-do cósmico de microondas en un Universo dominado pormateria oscura fría». Astrophysical Journal, Parte 2 - Car-tas al Editor 285: L39—L43. doi 10.1086/184361.

[18] Davis, M.; Efstathiou, G., Frenk, C. S., & White, S. D.M. (15 de mayo de 1985). «La evolución de la estruc-tura a gran escala en un Universo dominado por la ma-teria oscura fría». Astrophysical Journal 292: 371—394.doi 10.1086/163168.

[19] Neil Spooner: An Introduction to DarkMatter. DarkMat-ter Research. The University of Sheffield. Consultada:2013-08-29.

[20] Amos, Jonathan (5 de febrero 2006). Dark matter comesout of the cold. BBC News.

[21] ver mas en: http://circuloesceptico.com.ar/2012/06/la-diferencia-entre-antimateria-materia-oscura-y-energia-oscura#sthash.TvjOUe8p.dpuf

[22] Mordehai Milgrom; Do Modified Newtonian DynamicsFollow from the Cold Dark Matter Paradigm?, Astrophy-sical Journal, May 2002

[23] Masreliez C. J., Scale Expanding Cosmos Theory II–Cosmic Drag, Apeiron Okt (2004), Scale Expanding Cos-mos (1999)

[24] La NASA Encuentra Pruebas Directas de Materia Oscura.NASA. 21 de agosto de 2006.

[25] Angus, Garry W.; Shan, HuanYuan; Zhao, HongSheng; yFamaey, Benoit (5 de noviembre de 2006). «Sobre la Leyde la Gravedad, la Masa de los Neutrinos y la Prueba dela Materia Oscura». Arxiv. Consultado el 1 de diciembrede 2006.

[26] Moffat, J. W. (30 de agosto de 2006). Arxiv, ed. «LentesGravitacionales en Gravedad Modificada y las Lentes enUnión de Cúmulos sin Materia Oscura». Consultado el 1de diciembre de 2006.

[27] Reuter, M.; Weyer, H. (2004). «Running New-ton Constant, Improved Gravitational Actions, andGalaxy Rotation Curves». Phys. Rev. D 70. doi10.1103/PhysRevD.70.124028 arΧiv:hep-th/0410117.

[28] Da Rocha, D.; Nottale, Laurent (25 de febrero de 2005).Chaos, solitons and fractals, ed. «Formación de estructu-ras gravitacional en la relatividad de escala».

[29] «Sitio web de información del personaje».

9

7 Enlaces externos• The DAMA Project

• Método de Multimensajeros para la Detección dela Materia Oscura. Proyecto español del ProgramaConsolider-Ingenio 2010.

• "¿De qué está hecho el Universo? (De las partículaselementales a la materia oscura)" - por Carlos Mu-ñoz

• Vídeo sobre la Materia Oscura

• Visibilidad/Detectabilidad de la Materia Oscura (3de enero de 2007)

• Encontrado: Gran parte del Universo - por Phil Plait

• Materia Oscura Caliente - por Martin White

• “Gran parte de nuestro Universo está Desaparecida”- Horizon vídeo

• “Partículas de Materia Oscura: Pruebas, Candidatasy Restricciones” - por G. Bertone, D. Hooper y J.Silk

• “Búsquedas Experimentales de la Materia Oscura” -por Timothy J. Sumner

• “La materia oscura salió del frío” - BBC News 5 defebrero de 2005

• “Los astrónomos encuentran la Galaxia sin Estre-llas” - BBC News 23 de febrero de 2005

• “Al Principio” - The Economist 13 de enero de 2005

• Las galaxias elípticas también tienen halo de materiaoscura

• Artículos recientes sobre materia oscura en ar-Xiv.org

• Entrevista radiofónica a CarlosMuñoz acerca de quéestá hecho el Universo Onda Regional de Murcia

• NASA Encuentra Pruebas Directas de Materia Os-cura (imágenes), (texto)

• Artículo sobre Pruebas Directas de Materia Oscura

• Noticias y Vídeos de Mapas 3D Map de andamiosde MAteria Oscura de la ESA/Hubble

• La materia oscura existe CNN.com

• Artículos de introducción a la materia oscura

• Parodia del Avance de Noticias sobre la VerdaderaNaturaleza de la Materia Oscura

• “El equipo encuentra 'pruebas’ de la materia oscura”Paul Rincón (2006) BBC online. Primera prueba di-recta de la materia oscura

• La Materia Oscura Existe por Sean M. Carroll.

• Problemas de la Masa Desaparecida de la Cosmolo-gía por Robert Fritzius

• Un gran hallazgo en la caza de la escurridiza materiaoscura

• Viendo lo invisible (SeedMagazine.com)

• ¿Estrellas negras en el principio de los tiempos?

• Los secretos de la materia oscura. Parte 1 y parte 2,parte 3, Parte 4, Parte 5, Parte 6, Parte 7, Parte 8,

• ¿La Materia Oscura en (Serios) Problemas? Parte IPor Jorge A. Vázquez y Gema Hebrero

10 8 ORIGEN DEL TEXTO Y LAS IMÁGENES, COLABORADORES Y LICENCIAS

8 Origen del texto y las imágenes, colaboradores y licencias

8.1 Texto• Materia oscura Fuente: https://es.wikipedia.org/wiki/Materia_oscura?oldid=87582484 Colaboradores: AstroNomo, 4lex, Sanbec, Zwo-bot, Trujaman, Wintermute~eswiki, Dodo, Sms, Rsg, Xgarciaf, Tano4595, Lopezmts, Melocoton, Dianai, Xenoforme, Fergarci, Man-dramas, Richy, Dylaks, Pati, Taichi, Rembiapo pohyiete (bot), Kokoo, Orgullobot~eswiki, RobotQuistnix, Chobot, Pabloab, Caiserbot,Yrbot, Seanver, Varano, YurikBot, GermanX, Emepol, Cacique500, Gaijin, KnightRider, C-3POrao, Nirgal~eswiki, José., Maldoror, Ca-mima, Tazguy00, RafaGS, Juanjo Bazan, Alejandrosanchez, CEM-bot, Machin, JMCC1, Kurtan~eswiki, Retama, Ugur Basak Bot~eswiki,Davius, Rastrojo, Rosarinagazo, FrancoGG, Thijs!bot, Cvmontuy, P.o.l.o., NeguGorriak, RoyFocker, Mr. X, Albireo3000, Talibán Orto-gráfico, Hanjin, JAnDbot, Robinson marte, Muro de Aguas, Gsrdzl, CommonsDelinker, TXiKiBoT, Nioger, Idioma-bot, Alefisico, Jmv-krecords, Dpeinador, AlnoktaBOT, VolkovBot, Technopat, Penelopina, KronT, Pejeyo, Matdrodes, Javichu el jefe, Gaiano andino, Nudo-Marinero, Muro Bot, SieBot, SaMex, Loveless, Cobalttempest, Drinibot, Bigsus-bot, BOTarate, PipepBot, HUB, RmC Edwin, StarBOT,Gato ocioso, Gusbellu, Eduardosalg, Fanattiq, Leonpolanco, Alecs.bot, Petruss, Poco a poco, Fushigi-kun, Jorgevazquez72, CestBOT, Nu-men17, UA31, AVBOT, Elliniká, LucienBOT, Asram 4371, NjardarBot, Diegusjaimes, MelancholieBot, EnriqueSalvador, Luckas-bot,FaiBOT, JuanFostel, EDDYCUBAUSA, Barteik, SuperBraulio13, Almabot, Oddworld, Xqbot, Jkbw, FrescoBot, Ricardogpn, Kismalac,Panderine!, TobeBot, Alan256, PatruBOT, Weyhambriento, Foundling, Ensayossobre, Axvolution, SusanaMultidark, EmausBot, Jackie-Bot, Teodoromix, Cordwainer, Arboleroafull, Abián, MerlIwBot, KLBot2, Urbanuntil, Travelour, MetroBot, Bibliofilotranstornado, Friki-Dude, Vetranio, Elvisor, RomelMartinez, Leitoxx, Lautaro 97, Addbot, Balles2601, Pentalis, Roger de Lauria, Trinito.balbastrou, Saectar,Luis.torresq, Rumbo 14, Ricardo concepcion, Jarould, Crystallizedcarbon, BenjaBot, Andriakamano, Tetra quark, Lectorina, Sabe gujo,Outedexits y Anónimos: 164

8.2 Imágenes• Archivo:CL0024+17.jpg Fuente: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c3/CL0024%2B17.jpg Licencia: Public domain

Colaboradores: http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2007/17/image/a/ (direct link) Artista original: NASA, ESA, M.J. Jeeand H. Ford (Johns Hopkins University)

• Archivo:DarkMatterPie.jpg Fuente: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4b/DarkMatterPie.jpg Licencia: Public do-main Colaboradores: ? Artista original: ?

• Archivo:GalacticRotation2.svg Fuente: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b9/GalacticRotation2.svg Licencia: CC-BY-SA-3.0 Colaboradores: Trabajo propio in Inkscape 0.42 Artista original: PhilHibbs

• Archivo:Gravitationell-lins-4.jpg Fuente: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/0b/Gravitationell-lins-4.jpg Licencia:Public domain Colaboradores: http://hubblesite.org/newscenter/newsdesk/archive/releases/2003/01/image/a Artista original: NASA, N.Benitez (JHU), T. Broadhurst (Racah Institute of Physics/The Hebrew University), H. Ford (JHU), M. Clampin (STScI),G. Hartig (STScI),G. Illingworth (UCO/Lick Observatory), the ACS Science Team and ESA

• Archivo:Ilc_9yr_moll4096.png Fuente: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/3c/Ilc_9yr_moll4096.png Licencia: Publicdomain Colaboradores: http://map.gsfc.nasa.gov/media/121238/ilc_9yr_moll4096.png Artista original: NASA / WMAP Science Team

• Archivo:Question.png Fuente: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/30/Question.png Licencia: CC-BY-SA-3.0 Colabo-radores: ? Artista original: ?

8.3 Licencia del contenido• Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0