"Si las partículas de materia oscura no interactúan con otras partículas y la única fuerza que gobierna su movimiento es la gravedad, ¿cómo entonces se fusionan las partículas de materia oscura en una nube? [En otras palabras], ¿por qué no todas las partículas de materia oscura son hiperbólicas en sus trayectorias?"
Esta es una pregunta profunda, y la respuesta nos lleva al corazón de cómo funciona la gravedad en el Universo. Comencemos por el principio: Cómo funciona la gravedad en nuestro Sistema Solar y en nuestra galaxia, la Vía Láctea.
- Fuerzas Conservativas: Gravitación
- Fuerzas Disipativas: Electromagnetismo y Fuerzas Nucleares
- Evolución del Universo: Expansión y Crecimiento Gravitacional
- Evolución del Universo: Formación de Estructuras
- La Forma de las Galaxias y el halo de Materia Oscura
Fuerzas Conservativas: Gravitación
Aquí en nuestro Sistema Solar, más del 99% de la masa existe en una sola ubicación central: nuestro Sol. Si cualquier otro cuerpo con masa se acerca lo suficiente como para verse significativamente influenciado por la gravitación del Sol, solo hay cuatro trayectorias posibles que puede tomar.
- Puede hacer una órbita elíptica alrededor del Sol, lo que siempre hará si está ligado gravitacionalmente a él; como por ejemplo los planetas conocidos.
- Puede hacer una órbita circular alrededor del Sol, que es un caso particular de la elíptica (también ligado gravitacionalmente al Sol) pero tiene un conjunto especial de parámetros orbitales.
- Puede hacer una órbita parabólica alrededor del Sol, lo que hace si está justo en el límite entre estar ligado gravitacionalmente o estar desatado.
- O puede hacer una órbita hiperbólica, que es lo que siempre hará si no está unido gravitacionalmente al Sol. Esto sería como un "slingshot effect" en inglés (efecto honda) o efecto de Asistencia Gravitatoria.
Los objetos que ingresan a nuestro Sistema Solar desde fuera de él, como los intrusos interestelares 'Oumuamua' o 'Borisov', siempre harán una órbita hiperbólica ya que solo están influenciados (pero no ligados) por la gravitación del Sol.
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| Sistema Solar mostrando el cometa interestelar Borisov no ligado al Sol |
Eso es porque la gravedad es lo que llamamos una fuerza conservativa: Los objetos que solo interactúan gravitacionalmente entrarán al Sistema Solar con una cierta velocidad y energía cinética, y con esa misma velocidad y energía cinética saldrán de él. La gravedad solo cambiará la trayectoria del objeto, no su velocidad o su energía; ambas cantidades se conservan, ya que el sistema no pierde energía; es decir, no disipa energía.
Esta observación es una acertada predicción teórica en la gravitación newtoniana (Leyes de Newton) y también es exactamente cierta en la gravitación de Einstein (Teoría General de la Relatividad) si ignoramos la minúscula cantidad de energía perdida debido a las ondas gravitacionales. Lo que significa que cualquier objeto que solo interactúe gravitacionalmente, incluyendo una partícula de materia oscura solitaria, realizaría una trayectoria hiperbólica. Es decir que entraría al Sistema Solar a una velocidad particular, se acercaría al Sol y alcanzaría una velocidad máxima, sería redirigida por la gravedad y saldría del Sistema Solar, exactamente a la misma velocidad (pero en una dirección diferente) en comparación con la que entró.
Fuerzas Disipativas: Electromagnetismo y Fuerzas Nucleares
La razón por la que la materia normal forma las estructuras complejas que vemos, estructuras como galaxias, cúmulos de estrellas, sistemas solares individuales y otros "cúmulos" de materia, es porque puede experimentar otras interacciones no gravitacionales. A través de las fuerzas electromagnéticas y nucleares, la materia normal puede hacer lo siguiente:
- Experimentar colisiones inelásticas "pegajosas", donde dos o más partículas se unen para formar una partícula compuesta. Por ejemplo en el caso de los núcleos atómicos, los átomos y las moléculas que existen.
- Interactuar con el campo electromagnético, donde pueden irradiar energía (en forma de calor, luz o rayos X) o absorber radiación, cambiando su energía cinética y su momentum (impulso).
- Puede disipar energía, permitiendo un tipo de colapso gravitacional que la materia oscura no puede sufrir.
En un sistema inmutable, una partícula de materia oscura que cae a una cierta velocidad saldría inevitablemente a la misma velocidad a la que entró. Sin embargo una partícula hecha de materia normal podría interactuar de forma no gravitacional con las otras partículas de materia normal y con sus campos de fuerza. Además chocará con esas partículas, transfiriendo energía entre ellas, lo que conducirá a la producción de radiación y creará un estado final más unido que el estado inicial.
La materia normal, debido a que puede disipar su energía de una manera que la materia oscura no puede, puede formar fácilmente estructuras colapsadas. La materia oscura, por otro lado, no puede. Si solo tiene interacciones gravitacionales cuando cae en una estructura establecida e inmutable, se irá con las mismas propiedades con las que ingresó.
Evolución del Universo: Expansión y Crecimiento Gravitacional
Pero el Universo no es realmente un lugar estático e inmutable, y eso cambia la historia dramáticamente. En particular, hay dos fenómenos a los que debemos prestar atención, porque ambos juegan un papel importante.
- El Universo no es estático e inmutable, sino que se expande con el tiempo.
- Las estructuras dentro del Universo no son estáticas e inmutables, sino que experimentan un crecimiento gravitacional con el tiempo.
Estos dos hechos, cada uno por separado o en forma combinada, pueden alterar el destino de una partícula de materia oscura que se encuentra bajo la influencia de una estructura masiva con la que se encuentra. Veamos cómo funcionan cada uno de estos efectos:
1) Universo en Expansión: El hecho de que el Universo se esté expandiendo hace varias cosas importantes:
- Reduce la densidad al aumentar el volumen del Universo mientras deja la masa total igual.
- Produce el efecto conocido como corrimiento al rojo del espectro de las galaxias.
El corrimiento al rojo del espectro de las galaxias significa que la longitud de onda de la radiación de las galaxias está desplazada al rojo cuando se observa desde la Tierra, porque la distancia entre dos puntos arbitrarios en el Universo, incluso entre los dos puntos que definen lo que es una "longitud de onda" para un fotón individual, aumenta con el tiempo, alargando su longitud de onda y disminuyendo su frecuencia, llevándola progresivamente a energías más bajas -- con respecto a la relación entre la energía del fotón (E) y su frecuencia (f), recordemos la fórmula de Max Planck (E=hf o E=hc/λ); donde (λ) es la longitud de onda, (c) es la velocidad de la luz en el vacío y (h) es la Constante de Planck.
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| Expansión (acelerada) del Universo |
Ahora bien, todas las partículas masivas, incluso las partículas de materia oscura, también se ven afectadas por la expansión del Universo. Aunque no están definidas por una longitud de onda como los fotones, igual tienen cierta energía cinética en un momento dado que depende de su masa y su velocidad. Con el tiempo, a medida que el Universo se expande, esa energía cinética disminuirá, disminuyendo su velocidad en relación con cualquier observador cercano a medida que el Universo se expande -- con respecto a la relación entre la Longitud de Onda de las partículas de materia (λ) y su velocidad (v) o impuulso (p), recordemos la fórmula de de-Broglie de las ondas piloto (λ=h/mv o λ=h/p); donde de nuevo (h) es la Constante de Planck.
Imaginemos una partícula moviéndose a través del espacio, desde el punto A (donde comienza) al punto B (que es donde terminará). Si el espacio no cambiara y no se expandiera, y no hubiera gravedad, entonces cualquier velocidad que comenzara a tener en el punto A sería la misma que la velocidad de llegada al punto B.
Pero si el espacio se está expandiendo, las cosas cambian. Cuando la partícula sale del punto A, tiene una cierta velocidad, donde la velocidad se define como una distancia recorrida en un tiempo. A medida que el Universo se expande, la distancia entre el punto A y el punto B también se expande, lo que significa que la distancia aumenta con el tiempo. Por lo tanto, la partícula se mueve hacia B a un ritmo más lento cerca del final de su viaje que cerca del comienzo de su viaje.
Esto se aplica incluso cuando una partícula de materia oscura se acerca y cae en una gran estructura gravitacional, como una galaxia o un cúmulo de galaxias. Desde el momento en que comienza a caer en una estructura hasta el momento en que llega al otro lado y está lista para salir de nuevo, la expansión del Universo ha disminuido su velocidad. Lo que significa que una partícula que cae y que solo estaba ligeramente liberada gravitacionalmente cuando se encontró por primera vez con una estructura, puede volverse ligeramente unida gravitacionalmente debido a la expansión del Universo.
2) Crecimiento Gravitacional: Este es un efecto diferente, pero no menos importante. Las estructuras ligadas gravitacionalmente crecen con el tiempo, a medida que cae más y más materia en ellas.
La gravitación es una fuerza desbalanceada en el Universo, en el sentido de que si comenzamos con un Universo uniforme, donde todas las partes tienen prácticamente la misma densidad de materia, entonces los lugares que sean un poco más densos que el promedio (debido a fluctuaciones de temperatura y densidad) hacen que esa región atraiga progresivamente más y más la materia circundante a lo largo del tiempo. Cuanta más masa tenga una región, mayor será la fuerza gravitacional, lo que hará que sea más fácil atraer más y más masa a medida que pasa el tiempo; como un efecto de 'realimentación positiva'.
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| Proceso de formación de estructuras en el Universo |
Evolución del Universo: Formación de Estructuras
Ahora, imaginemos que una partícula de materia oscura cae en una de estas regiones de crecimiento gravitacional. Entra en esta región con una velocidad pequeña, atraída por la cantidad total de masa dentro de esa región. A medida que cae hacia el centro de esta región, acelera en función de la cantidad de masa que hay allí ahora. Pero a medida que ella cae, también caen otras masas, algunas de las cuales son materia normal y otras son materia oscura, lo que aumenta la densidad y la masa total de donde se encuentran.
Entonces llega a la periapsis de su órbita (la aproximación más cercana al centro de masa de la estructura en la que está dentro) y ahora comienza el viaje de regreso. Pero la cantidad de masa que ahora la está tirando hacia atrás, que tiene que superar para poder salir, ha aumentado con el tiempo. O sea, que la velocidad de escape (la velocidad mínima requerida para poder escapar de la atracción gravitatoria) ahora es mayor. Es como si cayeras en un sistema solar con la masa de nuestro Sol, pero cuando tratas de salir, te das cuenta de que estás tratando de escapar de un sistema solar con una masa que es unos pocos puntos porcentuales más masiva que lo que era el Sol incialmente. Lo que significa, en general, que si la partícula se movía lo suficientemente lento cuando cayó por primera vez (a una velocidad menor que la nueva velocidad de escape), no podrá volver a salir y permanecerá atada gravitacionalmente al sistema.
En realidad, estos dos efectos están en juego al mismo tiempo, y aunque cualquiera de los dos puede llevar a que la materia oscura se convierta en parte de las estructuras a gran escala unidas gravitacionalmente en el Universo, su efecto combinado es aún más significativo. Cuando se hace una simulación por computadora de cómo se forman las estructuras en el Universo con ambos efectos incluidos, se encuentra que no solo la materia oscura constituye la mayor parte de la masa en estas estructuras ligadas que surgen, sino que incluso si se simula un Universo que solo tenía materia oscura -- sin materia normal en absoluto -- aún así formaría una vasta red cósmica de estructuras.
La Forma de las Galaxias y el halo de Materia Oscura
Si el Universo fuera como lo imaginó incialmente Einstein, estático e inmutable en el tiempo, las partículas de materia oscura no se unirían gravitacionalmente en absoluto. Cualquier estructura en la que cayera una partícula de materia oscura, un tiempo específico después, se vería que esa partícula de materia oscura escapaba una vez más. La misma situación que se aplicaría igualmente a los planetas, el sistema solar, las galaxias e incluso los cúmulos de galaxias.
Pero debido a que el Universo se expande, lo que reduce la energía cinética de las partículas que lo atraviesan, y debido a que las estructuras también crecen gravitacionalmente con el tiempo, lo que significa que una partícula que cae tiene más dificultades para volver a salir, las partículas de materia oscura terminan unidas gravitacionalmente dentro de estas estructuras. A pesar de que no chocan, ni intercambian impulso ni disipan energía de otra manera, siguen contribuyendo de manera significativa a la estructura a gran escala del Universo.
Pero si bien solo la materia normal se colapsa para formar estructuras ultradensas como estrellas y planetas, la materia oscura permanece en grandes halos y filamentos difusos, como se muestra en la siguiente imagen.
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| Vía Láctea mostrando el halo de Materia Oscura |
Por eso, cuando se trata de la estructura a gran escala del Universo, la presencia de la materia oscura, unida a la expansión del Universo y al crecimiento gravitacional, tiene un efecto claro y decisivo. Y aunque aún no sepamos el origen de la materia oscura, no la podemos ignorar.
