¿Hay evidencia de materia oscura en nuestra galaxia?

Una estrella en el disco de nuestra galaxia, la Vía Láctea, orbita alrededor del centro galáctico, al igual que los planetas del sistema solar orbitan alrededor del Sol, debido a la atracción gravitacional de todas las estrellas y otras materias en la galaxia que están más cerca del centro galáctico que la estrella en cuestión. Para nuestra galaxia, la velocidad orbital del Sol y otras estrellas a la misma distancia del centro galáctico que nuestro Sol es de unos 220 km/s, lo que da como resultado un período orbital de unos 200 millones de años.

Para nuestro sistema solar, el 99,9 % de la masa está en el sol, por lo que la velocidad de los planetas que lo orbitan cae como la raíz cuadrada inversa de la distancia desde el Sol (un resultado fácilmente derivado de la ley de la gravedad de Newton, según la cual la fuerza gravitatoria la fuerza cae como el inverso del cuadrado de la distancia). La velocidad orbital de la Tierra es de 30 km/s, y Júpiter, 5,2 veces más lejos, tiene una velocidad orbital de 13 km/s. La velocidad orbital también depende de la raíz cuadrada de la masa en el centro, por lo que si nuestro Sol se volviera cuatro veces más masivo, la velocidad orbital de la Tierra se duplicaría.

Para un objeto extenso, como nuestra galaxia, se puede derivar de la ley de Newton que la fuerza gravitacional de toda la galaxia que actúa sobre una estrella es igual a lo que se esperaría de toda la materia más cercana al centro galáctico que la estrella. . Todas las fuerzas de las estrellas y la materia más alejada del centro se anulan.

Si toda la masa de nuestra galaxia estuviera en el centro, entonces la velocidad orbital caería como la raíz cuadrada inversa de la distancia desde el centro, al igual que para el sistema solar. Pero, dado que la masa de la galaxia se extiende, la velocidad orbital disminuirá más lentamente que eso. De hecho, si la masa situada a una distancia dada del centro aumenta con el cuadrado de esa distancia (como lo haría para un disco plano de espesor y densidad constantes), entonces la velocidad orbital será más o menos constante a medida que avancemos. más y más lejos. Lo mismo sería cierto para un halo esférico, donde la densidad cae como la potencia 2/3 de la distancia desde el centro.

En la década de 1970, los astrónomos que estudiaban las velocidades orbitales alrededor de los centros de otras galaxias encontraron que la velocidad orbital es de hecho más o menos constante, en contra de todas las expectativas. Casi al mismo tiempo, otros astrónomos que estudiaban las velocidades radiales de estrellas distantes en nuestra galaxia descubrieron que eso también era cierto para nuestra galaxia. Y los estudios de los 21 cm de hidrógeno interestelar han revelado que esta velocidad constante continúa lejos de los centros de las galaxias, mucho más allá de las estrellas más lejanas que se pueden ver.

Pero se sabe desde hace mucho tiempo que la distribución de estrellas en todas las galaxias normales, ya sean espirales o elípticas, está fuertemente concentrada hacia el centro, por lo que se esperaba que la velocidad orbital disminuyera continuamente a medida que nos alejábamos del centro. La única explicación para la anomalía fue que había otra fuente de materia más allá de lo que podemos ver en las estrellas y la materia interestelar, que era la responsable. Esto se conoce como la 'materia oscura'.

De hecho, las consecuencias de la materia oscura se habían visto desde la década de 1950 cuando se notó que la velocidad de las galaxias que se arremolinaban en cúmulos distantes de galaxias era mucho más alta de lo que cabría esperar de las masas totales de todas las estrellas. Pero estos estaban tan lejos que no podíamos estar seguros de que no hubiera algún componente de materia débil que fuera el responsable. Tenerlo en nuestra propia galaxia también trae a casa el resultado de que la materia que causa el exceso de velocidad es realmente oscura.

Es difícil medir el porcentaje de materia oscura en nuestra galaxia ya que, estando dentro de ella, no podemos determinar a qué distancia del centro galáctico se encuentran las nubes más lejanas de hidrógeno neutro. Es más fácil medir las distancias a los bordes de otras galaxias y cúmulos de galaxias. Las mejores conjeturas son que alrededor del 80 % de la masa de nuestra galaxia es materia oscura.

Piero Madau, profesor de astronomía y astrofísica en la Universidad de California, Santa Cruz, dice: "En simulaciones anteriores, esta región era suave, pero ahora tenemos suficientes detalles para ver grupos de materia oscura".

Los resultados pueden ayudar a los científicos a descubrir qué es la materia oscura. Hasta ahora solo se ha detectado a través de sus efectos gravitatorios sobre estrellas y galaxias. Sin embargo, según una teoría, la materia oscura consiste en partículas masivas de interacción débil (WIMP), que pueden aniquilarse entre sí y emitir rayos gamma cuando chocan. Los rayos gamma resultantes de la aniquilación de la materia oscura podrían detectarse con el telescopio espacial de rayos gamma GLAST lanzado recientemente, que los físicos de la Universidad de Washington ayudaron a construir.

El halo de materia oscura que envuelve lo que llamamos la Vía Láctea, estrellas y gas que se pueden ver y agrupar en espiral con forma de pelota de playa gigante y bastante deformado, dicen astrónomos estadounidenses, los primeros en creer haber logrado medir su forma. La materia oscura se llama así porque es invisible porque nadie sabe de qué se forma. Sin embargo, es indetectable porque obedece, como la materia ordinaria, las leyes de la gravedad y la atracción de las pequeñas galaxias enanas que orbitan alrededor de la Vía Láctea.