Los astrónomos por años han estudiado lo que nos es visible de este universo y de pronto han llegado a la conclusión que, debido a una serie de fenómenos que han observado en otras galaxias, debe haber algo que han decidido llamar “materia oscura”, la cual parece ser una sustancia invisible y misteriosa, que además, parece ser que conjunta la mayoría de la materia de la que está hecho el universo.
Por ello, todos los esfuerzos por tratar de entender realmente qué es la materia oscura son importantes. Ahora los astrónomos están usando los datos del Observatorio Espacial de la NASA, Chandra, que ve en la región de rayos X, para estudiar las propiedades de esta materia oscura. El trabajo de investigación involucra 13 grupos de galaxias para tratar de dilucidar qué es y cómo se comporta la materia oscura o bien, si hay alguna otra explicación que quizás podría ser como lo que hace siglos fue el éter, una sustancia misteriosa que Michelson y Morley mostraron como inexistente, a principios del siglo XX.
Para entender un poco el concepto de la materia oscura, hay que reconocer que ésta no puede ser observada directamente, pues dicha materia oscura no interactúa vía la gravedad con la materia radiante que conocemos (protones, neutrones, electrones, etcétera). Se supone que la materia oscura existe pues se ha estudiado su efecto con una variedad de técnicas, incluyendo las observaciones sobre el movimiento de las estrellas en las galaxias, el movimiento de las galaxias en grupos de galaxias y la distribución de rayos X que se emiten a partir de gas caliente en los grupos de galaxias. Se supone que la materia oscura también dejó su huella cuando ocurrió el Big Bang hace unos 13.8 mil millones de años.
Pero todo esto no ha sido suficiente para comprender los detalles y las propiedades de la materia oscura. En otras palabras, lo que se quiere saber es cómo se comporta la materia oscura en todos los entornos y de manera final el saber de qué está hecha.
El modelo más popular asume que la materia oscura está hecha de partículas más masivas que el protón y que están frías, pero esto significa que su velocidad es mucho menor que la velocidad de la luz. Este modelo ha explicado con éxito la estructura del universo a muy grandes escalas, mucho más grandes que las galaxias. El problema es que no puede explicar cómo la materia se distribuye en pequeñas escalas de galaxias.
Por ejemplo, el modelo de la materia oscura fría predice que la densidad de la materia oscura en el centro de las galaxias es mucho más alto que en las regiones de alrededor cercanas al centro. Debido a que la materia normal es atraída a la materia oscura, debería observarse un pico en la densidad en el centro de las galaxias. Sin embargo, los astrónomos han observado que la densidad de la materia normal y de la materia oscura en el centro de las galaxias parece estar distribuida de forma más uniforme. Otro problema es que predice que el número de galaxias pequeñas orbitando a galaxias como la Vía Láctea, debería ser mucho mayor de lo que los astrónomos han visto.
Para resolver estos problemas con el modelo de la materia oscura fría, los astrónomos han llegado a modelos alternativos en donde la materia oscura tiene propiedades muy diferentes. Uno de esos modelos saca ventaja del principio de la mecánica cuántica en donde cada partícula subatómica tiene una onda asociada a ésta. Si las partículas de la materia oscura tienen masa muy pequeñas, algo así como 10 mil trillones de trillones de veces más pequeñas que la masa de un electrón, su longitud de onda debería entonces ser de unos 3 mil años luz. La distancia de un pico a otro de la onda sería cerca de un octavo de la distancie entre la Tierra y el centro de la Vía Láctea. Para entender esta enorme magnitud considérese que la onda más larga de luz, de una onda de radio, es de apenas un par de millas, unos 3 kilómetros.
Las ondas de diferentes partículas a estas escalas enormes pueden sobreponerse entre ellas e interferir unas con otras, como las ondas en un estanque, actuando como un sistema cuántico galáctico en lugar de funcionar a escalas atómicas. Así, la longitud de onda más grande podría significar que la densidad de la materia oscura en el centro de la galaxias no fuese necesariamente un picio. Por ende, para un observador fuera de la galaxia, estas partículas podrían aparecer difusas si pudiesen ser detectadas. A esto se le llama a todo esto el modelo “de la materia oscura difusa”. Esto solucionaría el problema de la densidad en el centro de las galaxias.
Este modelo ha sido exitoso explicando la cantidad y lugar donde se debe encontrar la materia oscura en galaxias pequeñas. Para galaxias más grandes, un modelo más complicado del que estamos mencionando se necesita. En este modelo, la concentración masiva de materia oscura puede llevar a múltiples estados cuánticos (llamados estados excitados), en donde las partículas de la materia oscura podrían tener diferentes cantidades de energía, similar a los átomos cuyos electrones tienen más energía en las órbitas más altas. Si consideramos estos estados excitados, los cambios en la densidad de la materia oscura variarían con la distancia del centro del grupo de galaxias en donde se observe.
En este nuevo estudio el equipo de astrónomos están analizando los datos del gas caliente en 13 grupos de galaxias para ver si el modelo de materia oscura difusa trabaja para grandes escalas. Los datos enviados por Chandra permiten estimar la cantidad de materia oscura en cada grupo y cómo la densidad de materia varía con la distancia considerando el centro del grupo de galaxias en estudio.
Un artículo técnico describiendo los resultados se aceptó recientemente para ser publicado en las noticias mensuales de la Royal Astronomical Society y puede consultarse en línea.
Referencias: Phys.org