Apartes de la Charla: BREVE HISTORIA DE LA MATERIA OSCURA_28 de Noviembre de 2015.

BREVE HISTORIA DE LA MATERIA OSCURA.

SOCIEDAD JULIO GARAVITO PARA EL ESTUDIO DE LA ASTRONOMÍA.

RECOPILÓ: WILLIAM LALINDE V.

Texto Guía:UNRAVELING THE MISTERIES OF THE INVISIBLE

UNIVERSE.De

Jeremiah P. Ostriker y Simon Mitton.Año 2015.


PROPIEDADES DE LA MATERIA OSCURA.

Absorbe y no emite luz.

Ejerce y responde a la fuerza de Gravedad.

Supera en seis veces a la Materia Ordinaria que compone los planetas, las estrellas y las

Galaxias conocidas.


Se inicia con FRITZ ZURCKY.

• Nació en VARNA (Bulgaria) en 1898. Hijo del Embajador de Suiza en ese país.

• Estudió en el Instituto Federal de Tecnología en Suiza.

• En 1925 (27 años) ingresó al Instituto Tecnológico de California –Caltech- y desde allí trabajó la mayor parte de su vida en los Observatorios de Monte Wilson y Monte Palomar


• Fue uno de los Astrofísicos mas originales de la última centuria.

El verdadero descubridor de la

MATERIA OSCURA.

• Inició con un brillante pre-descubrimiento que fue ignorado; siguieron varias líneas de evidencia con disputas e interpretaciones equivocadas, y después de muchos debates, se llegó a su aceptación y reconocimiento unánime.


EN 1937 FRITZ ZWICKY PUBLICÓ EL ARTÍCULO TITULADO DUNKLE MATERIE.

En los cúmulos de galaxias se presentan velocidades típicas del orden de 1.000 km/s.

Ejemplo: el cúmulo de la constelación de Coma.

Estas altas velocidades condujeron a que FRITZ ZWICKY estudiara la estabilidad de los Cúmulos Galácticos aplicando la Ley de Gravitación de Newton, para

confirmar porqué los cúmulos no se desintegran a tan altas velocidades. (3.600.000 Km/h.)

MOVIMIENTO ORBITAL.

Fg=GMsMP/R^2

FcFc=MpVp^2/R


EXPERIMENTO MENTAL.

Fv=GMMt/R^2

Fh=GM^2/D^2

Tan a=Fh/Fv= GM^2*R^2/GMMt*D^2

Tan a=M/Mt*Rt/D.

Esta fórmula permite medir el ángulo de torsión.

La ventaja es que no se requiere la constante gravitatoria de Newton.

Y la masa de la tierra será: Mt=M*Rt^2/D*tan a.


EXPERIMENTO DE CAVENDISH

Henry Cavendish era un aristócrata inglés, extremadamente rico, científico aficionado,

quien entre 1797 y 1798 diseñó una balanza de torsión que le permitió medir la Masa pro-

media de la tierra y determinar la constante gravitacional.

HENRY CAVENDISH


• BALANZA DE TORSIÓN.

Peso de cada esfera 158 kg.

Con estos resultados se pueden medir las Masas promedio de los planetas.

G =6.67259*10^-11* m^3/Kg*seg^2


¿ Cómo se determinan las masa de los Planetas, las estrellas y las Galaxias?

--------------------------------------------------------------------PROCEDIMIENTO MAS SIMPLE ES LA LEY DE

NEWTON APLICADA A LA TIERRA.Radio tierra = 6 400 km.

Volumen tierra =1.1X10^21 m^3Densidad tierra = 6X10^24

F=G*Mm/R^2M=F*R^2/Gm


CÓMO SE DETERMINA LA MASA DE UNA GALAXIA EN ASTRONOMÍA.

Fuerza centrífuga = Fuerza gravitatoria.

Mg = Masa galaxia; Ms = Masa de un sol; Rg = Radio de galaxia.

Fg= GMgMs/Rg^2

Fc=Vs^2*Ms/Rg.

Fc= Vs^2*Ms/Rg = GMgMs/Rg^2

Mg =Vs^2*Rg/G .

TELESCOPIO DEL MONTE WILSON -2.5 m DE DIÁMETRO.


CARACTERÍSTICAS DEL CÚMULO DE COMA Estructura mas o menos esférica de gran tamaño.

Diámetro de cerca de 3 millones de Años Luz.Contiene unas mil( 1000 ) Galaxias individuales.Velocidad interna de las Galaxias = 1000 Km/seg.

Masa del Cúmulo = 10^15 masas solares.Relación Masa/ Luminosidad= 500:1

Cálculos Modernos = 300:1.Artículo de 1937: ON THE MASSES OF NEBULAE

AND CLUSTERS OF NEBULAE.

CÚMULO DE COMA


• Fritz encontró que para la estabilidad del cúmulo se necesitaba mucho mas materia que la suma de las masas de las galaxias visibles e inventariadas.

LA FUERZA DE GRAVEDAD ERA INSUFICIENTE POR UN FACTOR DE 100.

Entonces propuso que debía existir una materia adicional, Materia Oscura, que permitiera que

el cúmulo no se desintegrara.


MÉTODO INSTRUMENTAL.

Nicholás Mayall, de la Universidad de Berkeley en California, diseñó un espectrógrafo para

estudiar las zonas de menor brillo de las Galaxias.

Competía con el Telescopio de 100 pulgadas del Monte Wilson, para el espectro de nubes de gas y estrellas orbitando el centro de Galaxias

cercanas.


MÉTODO INSTRUMENTAL.

Mayall determinó con el Telescopio de 36” las masa de las galaxias cercanas y no encontró sorpresas.

En 1937 el joven Horace Babcook, utilizando el nuevo espectrógrafo del Telescopio LICK de 100”,

obtuvo la curva de rotación de la Galaxia de Andrómeda, en una zona a 3° del centro, a

125.000 A.L.,y los resultados fueron asombrosos.


• Encontró que la velocidad en la Galaxia no disminuía al aumentar la distancia del centro.

• De hecho permanecía constante o tendía a aumentar en las partes oscuras de Andrómeda.

• La interpretación obvia fue que la velocidad angular constante en un radio de hasta 20 minutos de arco hacia afuera, era indicio de que gran proporción de la masa de Andrómeda se localizaba en las regiones externas de la Galaxia.

• Era indicio de que existía Materia No Visible.


• El trabajo de tesis de Babcock seguido de un análisis de Zwicky, fue el predescubrimientode la Materia Oscura.

• Eran dos jóvenes astrónomos trabajando en los mayores observatorios del mundo.

EL RESULTADO SE MENOSPRECIÓ COMO UN PEQUEÑO PROBLEMA , NI SERIO NI

SIGNIFICATIVO.


• En aquel momento el borde exterior de la galaxia era considerado como el mayor emisor de luz estelar, equivalente a 1.2X10^11 masas solares, para las galaxias gigantes espirales de nuestro cúmulo cercano.(Grupo Local.)

• Sin embargo la luz dentro de este radio se estimó en 2X10^10 luminosidades solares que equivalía a una relación :

Masa solar / Luminosidad = 6 : 1.


• La única explicación era que los valores de las masas exteriores de la Galaxia fueran extremadamente altas.

• Estas partes podrían contener una gran cantidad aparente de Materia Oscura pero no emitirían luz.

EL DESCUBRIMIENTO DE BABCOCK, DE UNA RELACIÓN MUY GRANDE ENTRE LAS MASAS Y LA LUMINOSIDAD, FUE SIMPLEMENTE IGNORADO.


• Las relaciones de Masa solar/ Luminosidad encontradas en Cúmulos Galácticos o en el disco de nuestra Galaxia, estaban en un rango de 2:1 a 3:1.

• EL RESULTADO ERA 2.5 VECES MAS MASAS SOLARES DETECTADAS EN COMPARACIÓN CON

LO ENCONTRADO EN LAS PARTES BIEN MEDIDAS DE NUESTRA GALAXIA.

ESTO SE CONSIDERÓ COMO UN MISTERIO.


• Tres años después de Babcock, 1940, NicollasMayall, Lawrence Aller y Arthur Wyse del Observatorio Lick, investigaron la dinámica de las Galaxias M-31 y M-33.

BREVE HISTORIA DE LA MATERIA OSCURA

• 1959- Franz Kahn y Ludwing Woltjer descubrieron que Andrómeda, compañera de nuestra Vía Láctea, se aproxima hacia nosotros con una velocidad de 300 km/seg.

• Es una de las pocas Galaxias en el universo que cae hacia nuestra Vía Láctea, en lugar de alejarse.

• Los autores sugirieron que Andrómeda y la Vía Láctea iniciaron su proceso de expansión de acuerdo con la Ley de Hubble, pero la fuerza Gravitacional frenó la expansión y originó el proceso de recesión.


• Con base en la hipótesis anterior, Ostriker, Peebles y Yahil encontraron que la masa debía ser del orden de un billón (10^12 )de masas solares, cifra muy superior a lo que se observa según el número de estrellas. !!!!!

• Graficando todas las medidas de nuestra Galaxia, a más y más distancia desde el centro, encontraron una norma simple:

LA MASA DE LA GALAXIA ES PROPORCIONAL AL RADIO DE LA ESFERA, EN LA ESFERA EXTERIOR, CON UN

RADIO DE ALREDEDOR DE 1 MILLÓN DE AÑOS LUZ, DONDE SE ALCANZA EL VALOR DE 10^12 MASAS

SOLARES.


• También encontraron que otros astrónomos, midiendo la curva de rotación de otras galaxias, encontraron distribuciones similares de las masas galácticas.

OTROS HALLAZGOS POR EL MÉTODO DE LA RELACIÓN MASA/LUMINOCIDAD.

Para el Sol esta relación es 1.En el interior de la galaxia esta relación se había medido

como 2:1Al considerar la luz total/ masa total de la Galaxia, incluido el

exterior, se encontró que era mayor de 100 : 1.Conclusión :

EN EL EXTERIOR DE LA GALAXIA LA MATERIA ES MUY ABUNDANTE PERO NO EMITE LUZ.


Qué ocurría con las Galaxias Elípticas que son mas sencillas que las Espirales.

En 1974 Herbert Root y otros encontraron relaciones de Masa : Luminosidad del orden

de 200:1

Diagrama de Hubble


• Con base en los hallazgos anteriores Ostriker, Peebles y Yahil, calcularon la densidad media de la MASA DEL UNIVERSO, y calcularon el OMEGA de la materia como 0.2, que es diez veces mayor al obtenido sin la materia oscura.

ESTE VALOR DE LA MATERIA NO ES SUFICIENTE PARA FRENAR LA EXPANSIÓN DEL UNIVERSO.

GRÁFICO DE OMEGA.


REDESCUBRIMIENTO DE LA MATERIA OSCURA EN LOS AÑOS 70.

1973- Ostriker y Peebles publicaron:Un estudio numérico sobre la estabilidad de las

Galaxias Planas, o ,Pueden sobrevivir las Galaxias Frías?

Allí se demostró que nuestra Galaxia y otras semejantes, que se consideran formadas por discos planos, están actualmente embebidas en una estructura esférica con masa similar o mayor a la considerada hasta ese momento.


De no ser así la Galaxia sería inestable y se formaría en su interior una larga barra, lo cual no ocurre.

La masa de la Galaxia está dominada por la masa esférica, pero esta no es visible, como si lo es la distribución de estrellas visibles.


• 1974 – Ostriker, Peebles y Amos Yahilpublicaron:

EL TAMAÑO Y MASA DE LAS GALAXIAS, Y LA MASA DEL UNIVERSO.

Allí se establece que la masa de las Galaxias se ha subestimado por lo menos en un factor de

10 ó más.

Igualmente y en el mismo factor se ha subestimado la masa del Universo.


• El artículo no presenta cálculos originales ni nuevas observaciones. Se resumen, eso sí, las evidencias mas robustas, hasta esa fecha, con el argumento de que allí se encuentra gran cantidad de materia gravitando lejos del centro de las galaxias.

• Esta materia se localiza en los halos galácticos, en la región mas externa que emite relativamente poca luminosidad estelar.


Abril de 1976.

Reunión Anual de la Academia de Ciencias de los Estados Unidos.

Participó como ponente Jeremiah P. Ostriker.

1) Las extrañas emisiones procedentes del núcleo de las galaxias.

2) La gran cantidad de masa gravitacional encontrada en el exterior de los sistemas

galácticos. ( 39 años después.)

J.P.Ostriker.


Para la reunión de la Academia se tenía gran cantidad de información sobre la Materia Oscura en las galaxias, que valía la pena reunir y presentar al AUDITORIO.

Los críticos eran asistentes no astrónomos, pero los astrónomos si conocían estos trabajos.

Luego de la reunión un asistente pidió intervenir y aludió a los resultados obtenidos por MortonRoberts y otros sobre Andrómeda, por Radio Telescopios. Era Babcock cuya tesis estaba en el olvido.


BREVE RESUMEN HASTA AQUÍ.

1) La luz de las galaxias se concentra en el centro.

2) No cumple la ley de Kepler en relación con la velocidad que decrece con la distancia, porque

las masas se concentran hacia el exterior.

3) En la periferia de la galaxia se encuentran pequeñas galaxias y cúmulos globulares que

acompañan nuestra Vía Láctea.


BREVE RESUMEN HASTA AQUÍ.Esto modela la distribución lumínica que se ha

interpretado como un corte de oleaje, donde el empuje de nuestra galaxia gigante vence la gravedad propia de de estos pequeños sistemas y rasga hacia afuera las estrellas exteriores.

La posición de brecha de oleaje se ha usado para medir la masa de la galaxia interior al radio donde los sistemas pequeños están orbitando.

Así se confirmó también la presencia de una mayor masa.

PLANETA SATURNO.

Efecto Oleaje en Saturno.


LAS CURVAS DE ROTACIÓN CONFIRMAN LA EXISTENCIA DE LA MATERIA OSCURA.

A finales de los 70 y comienzos de los 80, Vera Rubin y Kent Ford, de la Carnegie Institution

de Washington, y sus colaboradores, encontraron pruebas de la Materia Oscura

que se consideraron definitivas.

Usaron el recién inventado

TUBO ESPECTROGRÁFICO DE IMÁGENES.


• Usaron nueva tecnología electrónica que les permitió medir velocidades mas allá del centro de las galaxias, y evaluaron, caso por caso, las Galaxias Espirales Gigantes con curvas de rotación plana a grandes distancias.

• Se concluye que el Universo tiene 10 veces mas masa que la medida por las estrellas visibles y 5 veces mas masa que cuando se considera la materia ordinaria.Luego de la Publicación el Grupo de Escépticos

desapareció.


RECORDEMOS ALGUNAS CONCLUSIONES.

• La Materia Oscura no está uniformemente distribuida. Existe preferencialmente en la

parte externa de las Galaxias.

• Conviene anotar que los métodos para detectar la materia oscura y su cantidad, no son diferentes a los usados por Newton para

hallar la masa de los planetas.


RECORDEMOS ALGUNAS CONCLUSIONES.

• Algunos investigadores han supuesto que es posible que la Ley de la Gravedad crezca con la distancia, o que tenga una dependencia

del tiempo y sea diferente a como fue en tiempos primitivos.

Estas ideas no soportan las características de la Materia Oscura. Son intentos de salvar las

apariencias.


EVIDENCIAS MAS RECIENTES SOBRE LA MATERIA OSCURA.

1) Podemos ver la Materia Oscura en acción?

Una prueba es el choque de dos Galaxias en la constelación de Carina, conocido como THE

BULLET CLUSTER, Cúmulo de la Bala.

Una es un cúmulo normal, de materia ordinaria o bariónica, que se encuentra en forma de gas.

La otra es un cúmulo formado por Materia Oscura.



• La explicación simple es que el proceso de condensación del gas entre las estrellas es ineficiente y se condensa solo el 10% del gas.

• En la colisión las estrellas de las dos galaxias se cruzan unas con otras, sin chocar con su contraparte en la otra galaxia.

• Las componentes de ambas Galaxias quedan libres a mitad de camino y aparecen como zonas rojas las que provienen del gas, y las otras, por efecto de Lente Gravitacional, son de la Materia Oscura de color azul.

Se evidencia que la Materia Oscura no interactúa con la Materia Bariónica.



2) Por el efecto del Lente Gravitacional.Zwicky predijo en1937 que los Lentes

Gravitacionales en las galaxias y en los cúmulos galácticos son mucho mas eficientes para

determinar la GRAVEDAD.Se ha registrado, en cientos de casos, que las masas

para las LENTES GRAVITACIONALES corresponden a la suma de la materia normal y la materia

oscura.

Cúmulo Abell 2218 – Lente Gravitacional.



3) Otra prueba se relaciona con el crecimiento de las estructuras del Universo.

La Radiación Cósmica de Fondo se supuso inicialmente como distribuida uniformemente en

el espacio cósmico.Luego se planteó que debían existir unas irregularidades, llamadas SEMILLAS, que originaron las estructuras de las Galaxias

conocidas.



Teóricos como Peebles en USA y Zeldovichen Rusia, insistían en que las SEMILLAS debían

existir, pero que se requerían instrumentos mas sensibles.

En 1991 el satélite COSMIC BACKGROUND EXPLORER- COBE- detectó las SEMILLAS.



Las fluctuaciones eran de muy baja amplitud: 1 en 100.000

Se encontró que la materia visible estimada no causaba la gravedad suficiente para explicar el

desarrollo de las grandes estructuras del Universo. El déficit era que se requería de 5 a 10

veces mas materia. La Materia Oscura resolvía el problema.


Al presente los mejores estimativos para la masa del universo provienen del satélite WMAP lanzado en junio de 2001, con 7 años de datos, da:

OMEGA materia oscura = .23 +-.01

OMEGA materia bariónica = .27 +-.01


RESUMEN.

LA MATERIA OSCURA ES UNA SUSTANCIA EXTRAÑA.

ACTÚA GRAVITACIONALMENTE COMO LA MATERIA ORDINARIA.

HASTA AHORA NO SE HA VISTO QUE INTERACTUE CON LA LUZ, O CON ELLA MISMA, O CON LA

MATERIA NORMAL EN CUALQUIER OTRO CAMINO DISTINTO A LA GRAVEDAD.


RESUMEN.

LA MATERIA OSCURA ESTÁ PRESENTE DESDE, AL MENOS, LA FORMACIÓN DE LA RADIACIÓN DE

FONDO Y ES APROXIMADAMENTE MAS ABUNDANTE QUE LA MATERIA ORDINARIA O

BARIÓNICA.

!!! LA NATURALEZA DE LA MATERIA OSCURA ES UN MISTERIO ¡¡¡


FIN.

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Science

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