Criterios
JAIRO MÉNDEZ ABREU / COORDINADORA: ADRIANA DE LORENZO-CÁCERES RODRÍGUEZ

¿Cómo medir lo que no se ve?

22/ene/17 0:57 AM
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La imagen superior (modificada respecto a la original) nos muestra la galaxia barrada UGC 12158 observada con el telescopio espacial Hubble (crédito de la imagen original: ESA/Hubble & NASA). Las flechas verdes indican el movimiento casi circular de las estrellas dentro de la galaxia. El panel inferior muestra el esquema de cómo sería la velocidad de rotación de las estrellas observada para esta galaxia (verde) y lo que esperaríamos si usáramos simplemente la acción gravitatoria de la materia visible (azul). La diferencia entre las dos curvas, que aparece fundamentalmente en las partes externas de las galaxia, es lo que consideramos como evidencia de una masa extra no detectada llamada materia oscura./JAIRO MÉNDEZ ABREU

En Astrofísica, como en otros campos de la ciencia, a veces nos encontramos con observaciones o experimentos que sobrepasan la capacidad de imaginación de los científicos, y créanme que tenemos mucha. Esto le tuvo que pasar al astrofísico Fritz Zwicky cuando en 1933, mientras medía la velocidad de las galaxias en el cúmulo de Coma (una de las asociaciones de galaxias más ricas del Universo), se dio cuenta de que le "faltaba" masa. ¿Cómo? Pues resulta que usando la cantidad de materia visible (en su caso de galaxias) no podía explicar con las leyes de la gravedad de Newton las velocidades relativas de las galaxias, ¡necesitaba 400 veces más masa!

Con el tiempo, los astrofísicos nos fuimos dando cuenta de que este problema aparecía en muchas observaciones. A menor escala, dentro de galaxias individuales también hemos sido capaces de detectar una falta de masa. En una galaxia, las estrellas que la componen se mueven en órbitas casi circulares cuya velocidad debería disminuir a medida que nos alejamos del centro galáctico. Sin embargo, los astrónomos hemos observado que esta velocidad permanece constante, hecho que desde su descubrimiento por la astrónoma recientemente fallecida Vera Rubin hemos interpretado como debido a la presencia de una masa extra no detectada.

A diferencia de otras ramas de la Física, en Astronomía no tenemos la posibilidad de preparar experimentos. La única información que podemos usar es la proporcionada por la "luz" que nos llega, ya sea en forma de ondas de radio, infrarrojos, luz visible o rayos X. Por este motivo, cuando nos encontramos con eventos que no podemos detectar, solemos acuñar el término de oscuro o negro, de ahí que esta masa extra que no somos capaces de observar lleve el nombre de materia oscura. Según las estimaciones actuales, aproximadamente solo el 5% del contenido total del Universo se puede observar directamente. Se estima que en torno al 23% está compuesto de materia oscura. El 72% restante consistiría en energía oscura, una componente incluso más extraña, distribuida difusamente en el espacio.

Si no podemos preparar un experimento en el laboratorio y no podemos "ver" la materia oscura, ¿cómo vamos a poder medirla? Ya dije al principio de este artículo que los científicos tenemos mucha imaginación y este puede ser uno de esos casos. En principio, la creatividad del astrofísico solo está acotada por la leyes de la Física y por el método científico. Este último se basa en las ideas de falsabilidad (cualquier hipótesis debe resultar susceptible a ser falseada) y reproducibilidad (un experimento tiene que poder repetirse en lugares distintos y por un sujeto cualquiera). En la práctica, nuestro conocimiento del Universo se ha visto normalmente limitado por las capacidades tecnológicas del momento, ya sea por la necesidad de mejorar nuestras observaciones (telescopios, antenas, satélites) o por la capacidad de cálculo de los ordenadores donde realizamos simulaciones numéricas que nos permiten reproducir el Universo usando las leyes de la Física. Esta cuestión me devuelve a la pregunta que planteaba en el título de este artículo, ¿cómo medir lo que no se ve? O llegados a este punto quizás es mejor decir: ¿cómo podemos medir la materia oscura?

La comparación entre simulaciones numéricas de galaxias con observaciones detalladas de estos sistemas es el camino que ha seguido mi investigación para dar respuesta a preguntas tales como cuál es la distribución y cantidad de materia oscura en las galaxias que nos rodean. En particular, me he centrado en el estudio de galaxias barradas, es decir, galaxias con una estructura elongada de estrellas que la atraviesa por el centro. Ya comenté anteriormente el movimiento casi circular de las estrellas en una galaxia. Sin embargo, cuando las estrellas forman parte de la barra sus órbitas cambian, y las barras se mueven como una estructura casi-sólida que gira dentro de la galaxia como las aspas de un helicóptero. Midiendo la velocidad de rotación de la barra y del resto de estrellas de la galaxia, y comparándola con los resultados de simulaciones numéricas, podemos estimar la cantidad y distribución de materia oscura en galaxias. Imaginativo, ¿verdad? Pues esta técnica la hemos usado para medir la materia oscura presente en algunas galaxias observadas dentro del cartografiado CALIFA (de sus siglas en inglés, Calar Alto Legacy Integral Field Area). Los resultados, presentados en la revista Astronomy & Astrophysics, demuestran que a pesar de contar poco en el contenido total del Universo, la materia visible (principalmente estrellas) domina las regiones centrales de las galaxias, mientras que es solo en las partes externas donde se impone la escurridiza materia oscura.

Aún nos queda mucho para entender la materia oscura, tanto en lo que se refiere a su naturaleza (qué tipo de partículas la componen) como a su cantidad y distribución. Las dificultades asociadas a cómo medirla han dado lugar incluso a nuevas teorías que afirman que la materia oscura no existe y que en realidad son las leyes básicas de la Física (como las leyes de Newton) las que son incorrectas. En fin, acuérdense de las dos palabras clave, falsabilidad y reproducibilidad, y veremos qué fascinantes sorpresas nos depara la materia oscura en los próximos años.

Jairo Méndez Abreu nació en San Juan de la Rambla, Tenerife, y cursó la Licenciatura en Física por la Universidad de La Laguna. Es Doctor en Astrofísica por la Universidad de La Laguna y la Universidad de Padua, Italia. Tras su paso por Italia volvió a Canarias con un contrato postdoctoral en el Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) y un contrato Juan de la Cierva. Posteriormente se marchó a Escocia, donde desarrolló su actividad investigadora en la Universidad de St Andrews. Recientemente ha vuelto como investigador al IAC, donde continúa sus estudios sobre dinámica de galaxias.

JAIRO MÉNDEZ ABREU / COORDINADORA: ADRIANA DE LORENZO-CÁCERES RODRÍGUEZ