Modelo de la materia oscura

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El "modelo" de la materia oscura (dark matter).

...Como se ha visto anteriormente, la lista impresionante de problemas relacionados, por no hablar siquiera de la astrofísica. Por ejemplo, las galaxias giran demasiado rápido. La masa detectada es de 3 a 5 veces demasiado baja para contrarrestar la fuerza centrífuga. La situación es aún peor para los cúmulos de galaxias. Un problema ya antiguo, ya que fue señalado inicialmente por Fritz Zwicky hace varias décadas.

...¿Cómo salir de esta situación? ¿Debemos revisar la ley de Newton? Algunos simplemente sugirieron que las galaxias, los cúmulos de galaxias e incluso todo el universo podrían albergar en su interior una masa (que contribuye al campo gravitatorio) que hasta ahora ha escapado a la observación. ¿Qué podría ser? Por ejemplo, estrellas demasiado poco luminosas. Se les dio un nombre a estos objetos: MACHOs (massive compact halo objects, es decir, objetos compactos y masivos ubicados en el halo de las galaxias: la porción del espacio galáctico situada dentro y fuera del "disco"). Método de detección: ocultación de fuentes situadas detrás, principalmente estrellas. Método: seguir un número muy grande de estrellas y detectar disminuciones de luminosidad cuya evolución temporal diferiría de las fluctuaciones correspondientes a estrellas variables.

Resultados: decepcionantes.

...Otra hipótesis: "partículas exóticas", por ejemplo neutrinos masivos (con una masa pequeña). Pero hasta la fecha no se ha encontrado evidencia de una posible masa de los neutrinos.

...Otro candidato, querido por la astrofísica Françoise Combes: hidrógeno frío, a muy baja temperatura, por lo tanto prácticamente invisible.

...Esta materia oscura permitiría entonces explicar los fuertes efectos de lente gravitacional, aparentemente relacionados con galaxias y cúmulos de galaxias (arcos gravitacionales). Muchos consideran estos efectos como una "prueba irrefutable" de la existencia de esta materia no detectada.

...Entonces es posible explicar cualquier cosa y cualquier otra cosa simplemente espolvoreando adecuadamente el universo con materia oscura, en los lugares adecuados. Se trata, por tanto, de una teoría perfectamente ad hoc. De hecho, algunos ni siquiera se preocupan por justificar el origen de este componente, su naturaleza, su origen, ni siquiera describir su dinámica, contentándose con decir que se trata de una nueva astronomía, "donde ahora cartografiamos lo invisible". Equipos están trabajando en ello, emprendiendo el trazado de mapas de la distribución de la materia oscura.

...Esta permite unificar la estructura a gran escala del universo, y así justificarla. En otros lugares se produce una distribución de materia oscura que no solo justifica la cohesión de las galaxias, sino también la forma de sus curvas de rotación. Todo esto se publica abundantemente y sin problemas (Astrophysical Journal, Astronomy and Astrophysics, etc.). Se distingue entre "materia oscura fría" y "materia oscura caliente".

Algunas especulaciones parecen, por tanto, "permitidas".

La cuestión de la constante cosmológica y la edad del universo.

Primero situemos su origen. Dotado de su ecuación de campo:

**S = **c T

...Einstein inmediatamente intentó construir un modelo de universo (1917). Pero como ignoraba que este era no estacionario, buscó entonces construir un modelo estacionario. Se encontró con numerosos problemas y fue a visitar al matemático francés Elie Cartan, quien le dijo:

• Puede modificar su ecuación. Le propongo:

**S = **c T - Lg ** **

donde **g es el tensor métrico y **L una constante. Así, la ecuación sigue siendo tensorial y su solución sigue siendo invariante bajo cambio de coordenadas.

• Pero, ¿cuál es el significado físico de esta constante L?

• Eso, querido amigo, es su problema. Yo soy matemático...

A partir de una ecuación de campo, bajo la hipótesis de que la curvatura es pequeña y las velocidades de agitación térmica son pequeñas frente a la velocidad de la luz c, se puede recuperar la dinámica newtoniana. La fuerza de Newton entonces adquiere un término correctivo:

...Este término correctivo era proporcional a la distancia. Se utiliza comúnmente la expresión "poder repulsivo del vacío" (o atractivo, dependiendo del signo elegido para esta constante arbitraria L).

...Este poder repulsivo del vacío era la clave que permitía al universo estacionario de Einstein alcanzar un equilibrio (inestable, por cierto). Pero muy pronto:

• El descubrimiento de Edwin Hubble evidenció un corrimiento al rojo z, asimilado a un movimiento general de expansión cósmica (efecto Doppler). Así, adiós al modelo de universo estacionario.

• En ese mismo momento, el ruso Friedmann obtuvo las soluciones no estacionarias de la ecuación de campo, sin constante cosmológica.

Molesto, Einstein se retiró bajo su tienda diciendo:

• ¡Si hubiera sabido que el universo era no estacionario, yo habría encontrado antes que Friedmann!

...Esta constante cosmológica entonces cayó en un casi olvido durante décadas. Algunos presentaron argumentos que proclamaban su necesaria nulidad. El hecho es que, al referirse a acciones a distancias muy grandes, solo hacía sentir su influencia de manera tardía, cuando la dimensión característica R(t) del universo había alcanzado "un valor suficiente".

...Las mediciones de corrimiento al rojo, de la velocidad radial de las galaxias, permiten calibrar la ley de Hubble, que deriva de la solución de la ecuación de campo y que simplemente dice:

La velocidad de alejamiento es proporcional al corrimiento al rojo z

La constante de proporcionalidad se llama la constante de Hubble Ho.

...Una breve digresión para quienes lo ignoran. Un átomo, en el laboratorio, inmóvil respecto al aparato de medida, emite, por ejemplo, una radiación correspondiente a una longitud de onda l. Debido al efecto Doppler, el mismo átomo en movimiento dará una longitud de onda: l' = l + D l

Se define:

| Dl |
|---|
| l |

Si D l es positivo: la fuente se aleja: corrimiento al rojo.

Si D l es negativo, la fuente se acerca: "corrimiento al azul".

La constante de Hubble también aparece en la ley de expansión R(t) en función del tiempo:

...Se sabe que en realidad existen tres modelos de Friedmann, que difieren únicamente en la descripción que dan del futuro lejano del cosmos.

En el esquema siguiente, donde se supone que estamos "suficientemente lejos" del futuro lejano del universo, las tres curvas coinciden.

...Por tanto, el conocimiento de la ley de expansión cósmica, de la constante de Hubble, permite inmediatamente, según este modelo (con constante cosmológica nula), deducir la edad del universo.

...Imaginemos que tomamos una fotografía instantánea de la explosión de una granada. El tiempo de exposición daría un cierto desenfoque a los objetos, lo que permitiría evaluar sus velocidades, y por tanto calcular, examinando una simple foto, el momento en que comenzó la explosión. La explosión cósmica, por supuesto, es muy diferente de la explosión de una granada, por su dinámica, ya que la fuerza de gravedad, al frenar la expansión, la ralentiza progresivamente.

...Los objetos del cosmos están animados de movimientos propios, de manera similar a las moléculas de un gas, que están animadas de un movimiento térmico. De hecho, se habla de "fluido cosmológico", un "gas" cuyas moléculas serían las galaxias.

...Para poder evaluar la constante de Hubble, era necesario basar las mediciones en objetos suficientemente lejanos, por lo tanto animados de velocidades suficientemente grandes para que estas superaran el valor medio de la velocidad de agitación...