Materia Oscura

Materia Oscura

Materia Oscura: tal es el nombre con el que se ha designado a todo aquello que los astrónomos no podemos ver ni detectar en forma directa, pero que se hace evidente a través de su atracción gravitatoria sobre otros cuerpos celestes. Identificar a esta entidad omnipresente y misteriosa que se hace sentir en todas partes del Universo se ha convertido en un desafío para la astrofísica moderna. La historia y el presente de esta búsqueda son lo que aquí trataremos. El futuro se abre en una variedad de inquietantes posibilidades, a las que, por ahora, sólo podemos intentar asomarnos.

Newton y la manzana

Buscamos un responsable en hechos de gravedad, y por lo tanto nuestra historia debe comenzar en 1666 con el genial Isaac Newton y su Ley de Gravitación Universal. Ésta enuncia que dos cuerpos cualesquiera se atraen con una fuerza directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa. En simbolos:

donde G es la constante de gravitación universal, M y m son las masas, o sea la "cantidad de materia" que contiene cada uno de los cuerpos, y d la distancia entre ambos. Pero Newton además había establecido las leyes del movimiento, es decir, la Mecánica. Juntando las dos cosas, se llega a determinar cómo se mueve cualquier objeto por acción de la fuerza de gravedad. Uno de los casos más simples es el de un cuerpo en órbita circular alrededor de otro. Las ecuaciones de Newton nos muestran que su velocidad orbital estará dada por:

Es decir, la velocidad orbital disminuye con la raíz cuadrada de la distancia al cuerpo central y aumenta con la raíz cuadrada de la masa de éste. Por ejemplo, la Luna orbita alrededor de la Tierra a una distancia de 384400 km, y con una velocidad de aproximadamente 1 km/s (unos 3600 km/h). Estos datos, que conocemos porque se han medido, permiten determinar la masa de la Tierra: unas 6x1021 toneladas (número que se escribiría como un 6 seguido de 21 ceros, o sea seis mil trillones).

¿Pero qué pasaría si la Luna orbitara alrededor de un planeta de masa mayor que la de la Tierra? La respuesta nos la puede ilustrar Io, uno de los satélites de Júpiter, que gira alrededor de ese planeta a una distancia muy similar a la que separa a la Luna de nosotros. Io completa su órbita en sólo 42 horas, a una velocidad de 62400 km/h, unas 17 veces más rápido que la Luna. De allí podemos determinar que la masa de Júpiter es 318 veces superior a la de la Tierra.

La relación es clara: a mayor masa del cuerpo central, mayor velocidad del satélite.

Pero si consideramos otro de los satélites de Júpiter, como Calisto que orbita unas 4 veces y media más lejos que Io, nos encontramos con que su velocidad es de sólo 29400 km/h. Es decir, para el mismo cuerpo central (Júpiter en nuestro ejemplo), a mayor distancia, menor velocidad.

Este juego entre distancias y velocidades es el que nos permite, a través de las leyes de Newton, determinar las masas de los objetos celestes. La importancia de esta determinación es fundamental, ya que, por ejemplo, la evolución de una estrella queda determinada desde el instante mismo de su nacimiento por la cantidad de materia que contiene, es decir, por su masa. Y a gran escala, el destino de todo el Universo dependería de cuál es su masa total: un Universo poco denso se expandiría para siempre, mientras que si la masa por unidad de volumen fuera mayor que un valor crítico, podría en algún momento frenar su expansión para, al cabo de miles de millones de años, volver a colapsar en una fantástica implosión.

Sólo se trataría entonces de "pesar" el Universo, es decir, medir su masa

...