RESUMEN
La materia oscura (Mo) fue originalmente llamada «materia faltante» debido a que los astrónomos no podían encontrarla observando el universo en ninguna parte del espectro electromagnético.
No hay un problema más importante en la cosmología actual que el de la materia oscura y quizás la energía oscura. La materia oscura está compuesta por partículas que no absorben, reflejan, o emiten luz, por lo tanto no pueden ser detectada por observación de la radiación electromagnética. Dicha materia es un ente que no puede ser visto directamente. Sabemos que la materia oscura existe debido a los efectos que produce sobre objetos que sí podemos observar .
Los científicos estudian la materia oscura viendo los efectos que esta produce sobre los objetos visibles y creen que la materia oscura puede dar cuenta de los movimientos inexplicables de estrellas entre galaxias. Las supercomputadoras juegan un papel muy importante pero indirecto en la búsqueda de datos sobre la materia oscura porque permiten a los científicos crear modelos que predicen el comportamiento de las galaxias. Los satélites son también utilizados para obtener datos sobre la materia oscura. En 1997, una imagen del Telescopio Espacial Hubble revelo que la luz de un cúmulo de galaxias distante es curvada por otro cúmulo en el primer plano de la imagen y basados en la trayectoria de la luz, los científicos estimaron que la masa del cúmulo en el primer plano debía ser 250 veces mayor al de la materia visible del cúmulo. Los científicos creen que la materia oscura en el cúmulo da cuenta de la inexplicable masa del mismo.
Y otros muchos científicos han producido teorías para explicar qué puede ser exactamente la materia oscura. Algunos creen que pueden se objetos normales como gases fríos, galaxias oscuras, o halos compactos y masivos (llamados MACHOs, los cuales podrían incluir agujeros negros y enanas marrones). Otros científicos creen que la materia oscura puede estar compuesta de partículas extrañas las cuales fueron creadas en las primeras etapas del universo?. Dichas partículas pueden incluir axiones, partículas masivas débilmente interactuantes (llamadas WIMPs), o neutrinos.
Entender la materia oscura podría ser importante para entender el tamaño, la forma y el quizás el futuro del universo. La cantidad de materia oscura en el universo determinará si el universo es abierto (continúa expandiéndose), cerrado (se expande hasta un punto y luego colapsa) o plano (se expande y luego para cuando alcanza el equilibrio) o simplemente estatico ,Universo Big sin Bang (BSB). En este documento nos inclinamos por una teoria que predice que los movimientos de las galaxias no necesitan ser explicados añadiendo materia oscura.
Entender la Mo también ayudará a explicar definitivamente la formación y evolución de las galaxias y cúmulos. Cuando una galaxia gira podría desintegrarse y si esto no sucede, algo debe estar manteniéndola unida. Este «algo» puede ser la gravedad y/u otras fuerzas ,pero la cantidad de gravedad requerida para ello, no obstante, es enorme y no puede ser generada por la materia visible en la galaxia ?. Volviendo atrás en el tiempo veremos que la idea cardinal en esta teoría emergió de las observaciones de
el astrofísico suizo Fritz Zwicky , del Instituto Tecnológico de California (Caltech), en 1933.(1)
Aplicó el teorema de Virial (3) (R. Clausius) 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 cuantificación del número de galaxias y con el brillo total del cúmulo, encontró que había hasta unas 400 veces más masa de la esperada. La gravedad de las galaxias visibles en el cúmulo era muy poca para tal velocidad orbital, por lo que se necesita mucha más. Esto se conoce 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. El teorema de virial de toda la energía cinética debería ser la mitad del total de la energía gravitacional de las galaxias. Sin embargo, experimentalmente se ha hallado que la energía cinética es mucho mayor: en particular, asumiendo que la masa gravitacional se debe solo a la materia visible de la galaxia, las estrellas alejadas del centro de las galaxias tienen velocidades mucho mayores que las predichas por el teorema de Clausius. En resumen la curva de rotación galáctica que muestra la velocidad de rotación frente a la distancia del centro de la galaxia, no se puede explicar solo mediante la materia visible (fig 1)
Casi 40 años después de las observaciones iniciales de Zwicky, ninguna otra observación las había corroborado, indicando que la relación masa-‐luminosidad fuera distinta de la unidad (una alta relación masa-‐luminosidad indica la presencia de la materia oscura). Pero a finales de los años 1960 y 1970, Vera Rubin, (2) una astrónoma del Departamento de Magnetismo Terrestre del Carnegie Institution of Washington presentó los hallazgos basados en un nuevo espectrógrafo muy sensible que podía medir la curva de velocidad de los bordes del
disco galactico. Finalmente con la colaboración de otros muchos astrónomos se pensó que la Mo dominaba todo el Universo y superaba a la materia normal o barionica en proporción
10/1 o mas. Todo ello por la aplicación del teorema del Virial (F.Clausius 1897)(3) y las leyes de Kepler (4) a las galaxias como si fueran sistemas planetarios.
Sin embargo ,las galaxias se caracterizan por ser estructuras muy complejas y constantes en el tiempo. En un primera aproximación sus elementos principales son las estrellas, mucho mas masivas que los planetas y con estructuras de plasma de altísima temperatura que generan campos electromagnéticos de elevada intensidad, según las exploraciones de SOPHIA (telescopios a bordo de aviones estratosfericos).(5)
Segundo, la masa del bulbo galáctico y el plano de rotación de los brazos espirales son tan grandes que entran en juego los efectos relativistas de la dilatación del tiempo.
Tercero, las nubes de hidrogeno atómico y molecular así como el polvo cósmico son inmensas aunque no se observan bien pero añaden masa al sistema. (6)
Cuarto, en el plano de rotación de las galaxias tanto el bulbo central , como el halo como los brazos espirales giran con la misma velocidad angular por lo que las estrellas periféricas recorren mas longitud en cada giro que las centrales y los periodos de revolución de todas las estrellas son equivalentes. Esto es lo contrario a las leyes de Kepler, luego las observaciones con base en sistemas planetarios (Kepler, Virial etc) no se pueden aplicar a estas mega estructuras.
Quinto ,Adrian Cornejo,(7) considera los patrones de velocidad del gas en galaxias simuladas, según la teoría de onda de densidad cuasi-‐estacionaria que caracteriza a las
espirales como patrones de rotación rígida y de larga duración (es decir, espirales estables), y la hipótesis de que las galaxias espirales rotarían establemente en su mayoría como un cuerpo sólido rígido, de acuerdo con la cinemática del sólido rígido, calculó la velocidad de algunas galaxias espirales tipo Sa y sus curvas de rotación obteniendo (sin considerar materia oscura) curvas muy aproximadas a las curvas de rotación conocidas a partir de las observaciones. La ecuación resulta de igualar la fuerza centrífuga con la fuerza que se adiciona a la mecánica newtoniana en la solución relativista (que es la fuerza inversamente proporcional a la cuarta potencia de la distancia R, relacionada con la fuerza de Coriolis en el sistema de referencia no inercial), de forma análoga a como se deriva la velocidad orbital de los planetas mediante
la mecánica newtoniana. De esta forma, se tiene la fuerza de Coriolis en el sistema rotante, la cual es una fuerza que en la mecánica newtoniana no se considera en
un sistema en rotación. Con esto se tiene en el sistema rotante la fuerza que, de otra forma, se busca agregar mediante la materia oscura para ajustarse a las velocidades de rotación observadas. La ecuación en función del momento angular se da V=
donde c es la velocidad de la luz, J es el momento angular del sistema, j es el momento angular relativo específico, M● es la masa del núcleo galáctico y Mg es la masa de la galaxia. Esta fórmula solamente se aplica para las galaxias espirales tipo Sa debido a su simetría circular, ya que para los otros tipos de galaxias espirales con diferente morfología se tendría que considerar su distinta geometría y dinámica. Aun cuando hasta la fecha no hay muchas observaciones documentadas del momento angular de las galaxias espirales, y las estimaciones que se tienen son principalmente derivadas de modelos que utilizan el concepto de materia oscura, el momento angular de cada galaxia se puede estimar a partir del momento angular relativo específico, dado como h = L/m, o en este caso como j = J/Mg.
La tercera ley de Kepler: Ley de los periodos
La tercera ley, también conocida como armónica o de los periodos, relaciona los periodos de los planetas, es decir, lo que tardan en completar una vuelta alrededor del Sol, con sus radios medios. Para un planeta dado, el cuadrado de su periodo orbital es proporcional al cubo de su distancia media al Sol. Esto es, T2=k·R3
Donde: T : Periodo del planeta. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el segundo ( s )
k : Constante de proporcionalidad. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el segundo al cuadrado partido por metro cúbico ( s2/m3 )
- R : Distancia media al Sol. Por las propiedades de la elipse se cumple que su valor coincide con el del semieje mayor de la elipse, a. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el metro ( m )
Se observa que como consecuencia de esta ley, los planetas se mueven tanto más despacio cuanto mayor es su órbita. El valor concreto de la constante k será estudiado cuando hayamos introducido la ley de la gravedad formalmente. De momento si que señalaremos que su valor es el mismo para todos aquellos cuerpos que giran en torno a uno determinado. Así, por ejemplo, los planetas del Sistema Solar comparten el valor de k al girar todos ellos alrededor del Sol. También los satélites de un planeta compartirán un valor de k entre ellos. a= semieje mayor de la elipse. es casi igual a R en orbitas circulares.
Es por ello que, en ocasiones, esta ley se presenta de acuerdo a la siguiente expresión: T12/T22=R13 /R23=a13 /a23
K es la constante de proporcionalidad = segundo al cuadrado partido por metro al cubo. Aquí es donde entra el tiempo. Según la dilatación del mismo el tiempo oscila entre la primera orbita (R1) y las siguientes (R2……………………….. ) .
Si consideramos que por las observaciones astronómicas que en las galaxias la rotación diferencial es cero entre las distintas orbitas, podemos igualar los periodos (T) por lo que k1xR13=k2xR23. k1= (S1 ,tiempo 1)2 /m3
k2= (S2 tiempo 2)2/m3 . m3 se elimina en ambos términos Entonces k1/k2 = R23/R13 ,
(S1/S2) = Raiz cuadrada de (R23 /R13)
El tiempo S1 es mayor que S2 por la dilatación en esta proporción establecida. Donde los subíndices 1 y 2 indican los periodos ( T ) , distancias medias ( R ) y longitud del semieje mayor (a = R) de las órbitas de dos cuerpos que giran en torno a uno común, por ejemplo, dos planetas cualesquiera alrededor del Sol. Por lo tanto esta dilatación del tiempo dependiente de grandes masas hará que las estrellas mas cercanas al bulbo galáctico giren mas despacio y se acompasen en su velocidad angular con las mas lejanas que para conservar la cantidad de movimiento giraran mas deprisa en velocidad lineal.(8)
En resumen, las observaciones astronómicas establecen que las galaxias rotan como si fueran un disco rígido, y los mecanismos antes descritos pudieran ser parte de la explicación sin recurrir a la materia oscura.
A veces las explicaciones simplistas de sistemas complejos pueden añadir una enorme confusión a la mecánica del Cosmos que ya vemos que de por si no es evidente.
BIBLIOGRAFIA
1.-‐ Zwicky, F. (1933). «Die Rotverschiebung von extragalaktischen Nebeln».
Helvetica Physica Acta 6: 110-‐127. Archivado desde el original el 4 de junio de 2016. Consultado el 10 de octubre de 2007.
2.-‐. Rubin, V.C., Ford, W.K. Jr., and Thonnard, N. (1978).
«Extended rotation curves of high-‐luminosity spiral galaxies. IV. Systematic dynamical properties, Sa-‐ > Sc» The Astrophysical Journal, 225:L107-‐L111, 1978 November 1. Consultado el 9 de septiembre de 2020.
3.-‐ Clausius, R. (1857), «Über die Art der Bewegung, die wir Wärme nennen»,
Annalen der Physik 100: 353-‐379.
4.-‐ Mysterium cosmographicum.(Kepler). De stella nova, Mysterium Cosmographicum [El misterio cósmico](traducción en castellano publicada por Alianza Editorial,
El secreto del Universo) ed. Max Caspar. C.H. Beck, Múnich 1938 / 1993, ISBN 3-‐406-‐01639-‐1.
5.-‐ NASA y el DLR, Centro Aeronáutico Alemán, están trabajando juntos para
crear SOFIA-‐ un avión Boeing 747 SP modificado por Raytheon Aircraft
Integration Services para acomodar un telescopio reflexivo de 2.5 metros. 6.-‐ Carlos Hernández-‐Monteagudo, Jonás Chaves-‐Montero,
Raúl Angulo y Giovanni Aricò,
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 2021 (MNRAS).
7.-‐ Cornejo, A.G. (2020).
«The rotational velocity of spiral Sa galaxies in the general theory of relativity solution». International Journal of Astronomy 2020, 9(2):
27-‐30. doi:10.5923/j.astronomy.20200902.01. Consultado el 27 de diciembre de 2020.
8.-‐ J.Vargas G. Universo Big sin Bang.com. 2018
