Razones para pensar que existe un componente invisible en nuestro universo.
Materia extra observada en los cúmulos de galaxias: El primero en proponer la idea de matera oscura fue Fritz Zwicky en 1933 cuando se encontraba estudiando el cúmulo de Coma, midió la velocidad de rotación de las galaxias que contiene y obtuvo un valor entorno a los 1000km/s, junto a eso consideró que el cúmulo se puede considerar, aproximadamenrte como una esfera que mide unos 10 millones de años luz.
Con estos datos, se puede usar el teorema de Virial y concluir que para que esté en equilibrio tenemos que su masa debe ser entorno a 10^15 Masas solares.
El problema es que existe otro método para calcular la masa del cúmulo que es midiendo su luminosidad total (donde hay que contar la luminosidad emitida en forma de rayos X por el gas intergaláctico supercaliente que contiene el cúmulo). Si se aplica este método se obtiene un valor un orden de magnitud inferior: 10^14. Una diferencia bastante grande para obviarla.
Masa extra observada alrededor de nuestra propia Galaxia la Vía Láctea y otras galáxias: en 1974 un artículo debido a J. P. Striker y J. Peebles hace el análisis de la velocidad de rotación de las estrellas a un radio de unos 10kpc del centro, que es donde se concentra la mayor parte de la materia luminosa de nuestra Galaxia, se observa que dicha velocidad de rotación corresponde a una cantidad de materia doble de la observada, teniendo en cuenta la luz en el interior de este radio, incluso al tomar radios mayores, se observa que la proporción aumenta es decir, a grandes distancias del centro de la galaxia, más allá de donde termina la materia luminosa, se observan estrellas y pequeñas galaxias satélite orbitando a velocidades que corresponderían, a una de cantidad de materia contenida en su radio, en ocasiones hasta de 100 veces mayor respecto a la materia observada. Lo que hace sospechar que hay mucha más materia de la que podemos atribuir a la luminosidad que observamos.
Curva de rotación de las galaxias: también en los años 70, Vera Rubin trabajó en la obtención de la curva de rotación de diversas galaxias, comenzando por la de Andrómeda. Esta curva de rotación es una gráfica de la velocidad de las estrellas respecto a la distancia al centro galáctico, observó que la velocidad no decrecía con la distancia como cabría esperar según las leyes de la dinámica de Newton y Kepler y tal como ocurre, por ejemplo en nuestro sistema de Solar, donde los planetas interiores giran al rededor del Sol a mayor velocidad que los exteriores. En lugar de eso, Rubin observó que la velocidad estelar no disminuye con la distancia al centro galáctico, sino que se mantiene constante y en ocasiones incluso aumenta, esto solo puede explicarse si una gran cantidad de materia no visible está contenida en el interior de la elipse generada por la rotación de la estrella. Subrayamos y entrecomillamos «no visble» porque la materia que sí es visible dentro de la elipse no es suficiente para explicar la alta velocidad obtenida para la estrella, ello incluyendo toda la materia interestelar, planetas y agujeros negros que pueden estar contenidos dentro de este radio.
Cúmulo bala: Se trata de dos cúmulos galácticos en colisión, y se ha llegado a llamar la piedra Roseta de los cúmulos en colisión. Ya que las galaxias individuales y las estrellas en sí no colisionan, sino que se cruzan pasando menos o menos lejos unas de otras, sin embargo el gas intergaláctico, que es un fluído sí que colisiona. Una vez se produce la colisión, el gas queda acumulado cerca del centro común de los dos grupos de galáxias mientras que las galaxias se han cruzado, por tanto, esta colisión actúa separando el gas de las galaxias.
El gas contiene la mayor parte de la masa de ambos cúmulos en proporción 1 a 100. Por su parte, cada una de galaxias debería orbitar alrededor del centro de masas, esto es debería ser el centro de masas del gas que, ya que como hemos comentado tiene la mayor cantidad de masa en proporión 1 a 10. Sin embargo, al observar el movimiento de cada galaxia se observa que no, que cada galaxia orbita un centro de masas casi original de cada cúmulo. De aquí podemos deducir que hay una cantidad de materia invisible en el interior de cada cúmulo que, al igual que las galaxias se ha cruzado sin colisionar y ha quedado en el interior de cada cúmulo después de la colisión junto con las galaxias que orbitan en torno al centro de masas.
Lentes gravitacionales al observar galaxias en alto red-shift: Cuando se observan galaxias muy distantes, vemos que su luz queda distorsionada por la materia de las galaxias más próximas que se encuentran próximas a la linea visual hacia estas galaxias distantes. Este es un efecto llamado lente gravitacional y previsto por la relatividad general de Einstein. El problema es que la masa de las galaxias más próximas no es suficiente para explicar el efecto de distorsión que observamos, dicho de otra manera, el efecto es demasiado grande para ser explicado con solo la materia luminosa proporcionada por los cúmulos de galaxias más próximos. Una vez más, falta materia para explicar el efecto producido por una cantidad de masa observada.
Picos acústicos en la radiación cósmica de fondo: el estudio de las anisotropías en la radiación cósmica de fondo (CBM) es el estudio de las firmas físicas de los componentes del universo primigeneo. En ella se observan principalmente 3 picos: el primero de ellos tiene que ver con la densidad total de materia, cuyo resultado aparece 32% de la densidad crícai. El segundo de los picos acústicos tiene que ver con la proporción de materia bariónica de ese 32%: aparece un 5% de la densidad crítica. Estos valores coinciden con los obtenidos por las sondas COBE primero y sobre todo su sucesora WMAP para los componentes del Universo.
Escribiremos una sección dedicada a la radiación cosmica de fondo de microondas (CBM) en la que hablaremos más en detalle sobre este gráfico.
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