Materia negra

¿ Qué la materia negra?

En astrofísica, la materia negra (o materia zozobra) designa la materia aparentemente indetectable. Diferentes hipótesis han emitidas y exploradas sobre la composición de esta materia hipotética y negra : gas molecular, estrellas muertas y enanas morenas en gran número, agujeros negros, etc...
En varios tipos de objetos astronómicos (estrellas, galaxias), los movimientos observados son diferentes de los que se espera teóricamente. Cuando se trata de deducirlos de la acción gravitacional de las masas que observa : todo se pasa como si una densidad de masa invisible estuviera presente. Nadie se atreve, por el momento, desafiar las leyes de la gravedad, entonces de que esta materia teórica está hecha?
¿ Esta materia negra verdaderamente existe?

La materia oscura no es negro, pero invisible.
Las observaciones (o más bien la falta de observaciones directas) implicarían más bien una naturaleza no bariónica Un barión es, en física de las partículas, una categoría de partículas, entre las que los representantes más conocidos son el protón y el neutrón. El término "barión" viene de griego barys que significa "pesado"; se refiere al hecho de que los bariones son más pesados en general que otros tipos de partículas., y pues todavía desconocida. La materia negra sería más abundante sin embargo que la materia bariónica.
La cosmología nos señala que la composición del universo sería constada de : el 73 % de energía negra y el 27 % de materia repartida como sigue (el 23 % de materia no bariónica el 4 % de materia bariónica).

Imagen: Sloan Digital Sky Survey Team, NASA, NSF, DOE

¿ La materia negra existe?

Uno de los problemas mayores de la astrofísica moderna es que ignoramos la naturaleza de lo esencial de la materia del universo. La materia luminosa, la única a la que directamente vemos, parece representar menos décima de la masa del universo. La materia negra o la materia zozobra o todavía masa faltante designa la materia que no emite luz con sentido ancho, esto va de ondas radio a los rayos gamma. Esta luz es pues nuestra sola fuente de informaciones. No obstante, los astrónomos se ponen de acuerdo sobre el hecho que entre el 90 % y el 99 % de la materia del universo no emite luz. Sin embargo el sistema solar nos muestra que lo esencial de la masa se encuentra en el Sol (99 %), los planetas no luminosos representan sólo el 1 % de la masa. Por otra parte, el estudio de la luz recibida de las estrellas indica que existe, polvo que absorbe una parte de la luz visible emitiendo en el infrarrojo, y el hidrógeno neutro que irradió en ondas radio o hidrógeno ionizado que emite en el rayo ultravioleta y los rayos X. Pero esta materia, es muy luminosa ya que se lo ve, más de su repartición no se es diferente de la que está presente en las estrellas como el Sol.
¿ Entonces por qué, en un cierto número de objetos astronómicos, los movimientos observados son diferentes de aquellos a cuáles esperamos teóricamente?

Cuando se trata de calcularlos con arreglo al efecto gravitacional masas observamos que todo pasa como si una densidad de masa invisible estuviera presente. Resulta claramente que el Universo contiene más materia que la que se ve.
¿ La materia negra existe o hay otra explicación a esta rareza?
Al principio del siglo 19 el último planeta conocido es Urano, el movimiento calculado para Urano no corresponde al que es observado.
En 1845, el astrónomo Adams y Le Verrier tienen la misma idea para resolver este enigma. Imaginan que la perturbación es debida a un nuevo planeta situado más allá de Urano y calculan la posición que ésta debería ocupar. Un telescopio entonces es orientado hacia la posición predicha y en 1846 el nuevo planeta es descubierto, se trata de Neptuno. Lo mismo ocurre concerniendo a la observación del montón galácticos que muestran que contienen también una gran cantidad de masa bajo otra forma, que se llama materia negra.

Imagen: Imagen compuesta del montón del carbón de bola constituido por dos montón vecinos chocados hay cerca de 150 millones de años. Esta imagen muestra, en rojo la distribución de la materia ordinaria correspondiente a emisiones de rayos X y en azul la distribución de masa total correspondiente al efecto de lente gravitacional En astrofísica, una lente gravitacional o un espejismo gravitacional es un objeto muy macizo (un montón de galaxias por ejemplo) situándose entre un observador y una fuente de luz lejana. La lente gravitacional imprime una curvatura fuerte al espacio tiempo, que tiene por resultado de desviar todos los rayos de luz que pasan cerca de ella, deformando así las imágenes recibidas por un observador colocado sobre la línea de mirada.  y distinguimos bien la onda de choque en el seno del gas, nacida de la colisión entre ambos montón, así como su retraso con relación a la materia negra contenida en cada montón y quien, ella, no parece haber estado afectado por la colisión.

Cantidad de materia negra

Montón de galaxias constituyen objetos de elección para estudiar el problema de la materia negra, porque se puede estudiar su distribución de masa por varios métodos independientes (El movimiento de sus galaxias, las propiedades del gas caliente que contienen, los fenómenos de lentes gravitacionales que se observa allí, la perturbación del brillo de fondo cosmológico que inducen, el modelo de su formación por hundimiento gravitacional).
Diferentes hipótesis han sido emitidas sobre la composición de esta materia hipotética y negra : gas molecular, estrellas muertas y enanas morenas en gran número, agujeros negros, etc...
Sin embargo, la falta de observación directa implicarían más bien una naturaleza no bariónica Un barión es, en física de las partículas, una categoría de partículas, entre las que los representantes más conocidos son el protón y el neutrón. El término " barión " viene de griego barys que significa "pesado"; se refiere al hecho de que los bariones son más pesados en general que otros tipos de partículas. y pues todavía desconocida.
La cosmología nos señala que la composición del universo sería constada de : el 73 % de energía negra y el 27 % de materia repartida como sigue (el 23 % de materia no bariónica y el 4 % de materia bariónica).
El estudio del montón de galaxias indica que el 90 % de su masa está bajo una forma invisible y el estudio de las galaxias indica que la gran mayoría de su masa es invisible.

La observación del montón de galaxias permite mostrar que la materia negra es distribuida de modo menos concentrado, más extenso, que la materia ordinaria. Las simulaciones numéricas sobre las propiedades del Universo primordial, permiten encontrar la distribución de materia negra alrededor de montón de galaxias.
En efecto, estas simulaciones indican que sobre pequeñas escalas, la materia negra tendería a formar grumos, con masas individuales que irían de la de la Tierra a la de la galaxia.
La materia negra sería una pasta a crespón que englobaría montón de galaxias, contendría una multitud de grumos de pequeña talla.
Ben Moore desarrolló granjas de ordenadores específicamente dedicados a este tipo de problema (la imagen al lado necesitó 6 meses de cálculo).

Imagen: Los resultados nacidos de simulaciones efectuadas por Ben Moore. Visión de conjunto de la distribución de materia negra en una rebanada de Universo de un mil millones de años de luz de lado y una región de 10  000 años de luz de lado. Los dos zoomes representan esta región que hace respectivamente 100 años de luz luego 1 año de luz.

Naturaleza de la materia negra

Dos grandes teorías se enfrentan sobre la naturaleza de la materia negra.
La materia negra caliente y la materia negra fría. Estas teorías reposan en la masa de las partículas que compone la materia negra y su velocidad.
En el caso de materia negra dicha "caliente", las partículas tienen velocidades próximas de la de la luz, mientras que las que compondrían una materia negra dicha "fría" serían más macizas y pues más lentas.
La velocidad de desplazamiento de estas partículas interviene en la orden de formación de las grandes estructuras del Universo.
Si el Universo esté dominado por la materia negra caliente, la muy gran velocidad de las partículas que lo constituiría impediría primeramente la formación de una estructura más pequeña que el súper montón de galaxias que luego se fragmenta en montón de galaxias, luego en galaxias, etc.
Es el guión cinematográfico dicho " de la altura hacia abajo ", ya que las estructuras más gruesas se forman primero, para dividirse luego.
El mejor candidato para constituir la materia negra caliente es neutrino El neutrino es la partícula imaginada por primera vez en 1930 por Wolfgang Pauli, hasta antes del descubrimiento del neutrón que fue detectado en 1956 por Frederick Reines y Clyde Cowan. Esta partícula, insensible a las fuerzas electromagnéticas y a la fuerza nuclear fuerte es emitida en el momento de una desintegración beta, acompañada por un electrón. El neutrino inter actúa pues muy poco con otras partículas, lo que lo hace a un buen candidato para la materia negra. La masa del neutrino fue considerada muy débil, incluso ninguno. El neutrino es la partícula más abundante en el universo, después del fotón. .
En cambio, si la materia negra fría dominaba el Universo, las partículas van a recorrer una distancia más pequeña y pues a borrar las fluctuaciones de densidad sobre extensiones más pequeñas que en el caso de materia negra caliente.

La materia ordinaria va entonces a reagruparse para formar primero galaxias (a partir de nubes de gas), que mismas se reagrupará en montón, luego súper montón.
Es el guión cinematográfico dicho " de la bajura hacia arriba ". Estas dos teorías fueron defendidas por Yakov Borisovitch Zeldovitch para la materia negra caliente, y James Peebles para la materia negra fría. Actualmente, es el modelo de materia negra fría que parece llevárselo.
En efecto, las galaxias están en equilibrio dinámico, lo que deja pensar que se crearon antes montón al que hace falta más tiempo para alcanzar este equilibrio. Sin embargo, las teorías introducen hoy un poco de materia negra caliente.
Ésta es necesaria para explicar la formación del montón; La materia fría sola que no puede permitirlo tan poco tiempo.

Imagen: Bosque Lyman alfa obtenido por una simulación numérica, en una zona de 30 millones de años de luz de lado. Es posible detectar las grandes nubes primordiales de hidrógeno, gracias a sus propiedades de absorción. Observamos una diferencia hacia el rojo de un factor que depende de la distancia. Esto permite ver, gracias a las rayas de absorción de las nubes, cómo la materia es repartida en el universo.

La materia negra queda secreta

La teoría de Big Bang permite calcular el número de bariones del Universo (átomos de helio 4 y de hidrógeno), formados en el momento del núcleo sintiese primordial. Los astrofísicos calcularon el índice de materia bariónica quién sería de cerca del 4 % de la densidad crítica. Entonces, para explicar la geometría llana del Universo, la materia total del Universo debe representar el 30 % de la densidad crítica (el 70 % restantes que son de la energía negra). Falta pues el 26 % de la densidad crítico en forma de materia no bariónica y pues constituida por otras partículas que el bariones. Otros numerosos indicios convergen para indicar que el Universo contiene una gran cantidad de materia bajo una forma no luminosa. Además, el modelo de Big Bang está en acuerdo notable con conjunto de las observaciones, a condición de que el Universo contenga cerca del 30 % de materia negra y cerca del 70 % de energía negra. Sin embargo cada vez más astrofísicos consideran que esta materia negra no existe y más bien que de procurar explicar las anomalías por una materia inobservada incluso inobservable, según ellos sería más juicioso de ver de nuevo las leyes físicas que constituyen el modelo estándar, y que con todo modo han vuelto a discutir por otros problemas todavía más fundamentales. Entonces sería posible resolver varios problemas al mismo tiempo sin emitir hipótesis nuevas. Ciertos físicos se vuelven por ejemplo hacia la teoría de las cuerdas.

La teoría de las cuerdas añade seis nuevas dimensiones a las cuatro usuales (las tres dimensiones del espacio y el tiempo) y colocaría la materia negra en estas nuevas dimensiones que nos son inaccesibles. Las fuerzas electromagnéticas y nucleares fuertes y débiles serían confinadas en nuestras cuatro dimensiones y no podrían dejarlos. En cambio, la gravitación podría dispersarse en otras dimensiones, y así bajar en intensidad con relación a otras fuerzas.
Aunque vemos es difícil de dar una visión terminada y coherente de la materia negra, porque el sujeto está siempre en efervescencia plena.
Como siempre en astrofísica, hay finalmente más cuestiones que respuestas. Si fácilmente se puede darse cuenta de esta materia negra, esto no levanta el misterio. Este nuevo componente de nuestro Universo, será ciertamente detectar por otros medios en un futuro próximo.
Si no se llega a explicar un gran número de observaciones astrofísicas es porque todo esto pone a prueba las teorías actuales incompletas.
Posiblemente somos sobre una mala vía desde el principio y el mundo científico espera una mirada nueva y revolucionaria.

Imagen: Las dimensiones de las partículas.