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.

OSCURA.
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.

OSCURA.
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

OSCURA.
• 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.

OSCURA.
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

OSCURA.
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.

OSCURA.
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.

OSCURA.
• 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

OSCURA.
¿ 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^3
Densidad tierra = 6X10^24
F=G*Mm/R^2
M=F*R^2/Gm

OSCURA.
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.

OSCURA.
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.

OSCURA.
• 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.

OSCURA.
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.

OSCURA.
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.

OSCURA.
• 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.

OSCURA.
• El trabajo de tesis de Babcock seguido de un
análisis de Zwicky, fue el predescubrimiento
de 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.

OSCURA.
• 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.

OSCURA.
• 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.

OSCURA.
• 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.

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

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.

OSCURA
• 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.

OSCURA
• 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 2:1
Al 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.

OSCURA
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

OSCURA
• 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.

OSCURA.
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.

OSCURA.
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.

OSCURA
• 1974 – Ostriker, Peebles y Amos Yahil
publicaron:
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.

OSCURA
• 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.

OSCURA.
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.)

OSCURA.
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 Morton
Roberts y otros sobre Andrómeda, por Radio
Telescopios. Era Babcock cuya tesis estaba en el
olvido.

OSCURA
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.

OSCURA
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.

OSCURA
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.

OSCURA
• 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.

OSCURA
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.

OSCURA
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.

OSCURA
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.

OSCURA
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.

OSCURA
OSCURA.
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.

OSCURA
OSCURA.
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.

OSCURA
EVIDENCIAS MAS RECIENTES SOBRE LA
MATERIA OSCURA.
Teóricos como Peebles en USA y Zeldovich
en 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.

OSCURA
OSCURA.
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.

OSCURA
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

OSCURA
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.

OSCURA
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 ¡¡¡

OSCURA
FIN.

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