domingo, abril 14, 2019

En la oscuridad galáctica

Hace más de 500 años, Johannes Kepler estableció las leyes del movimiento planetario. Son leyes simples que cumplen todos los planetas del sistema solar. Son empíricas, es decir que todas las observaciones se adaptan a ellas, pero suenan como reglas ad-hoc sin mayor justificación teórica.

PD

Las leyes de Kepler son tres, y dicen que:
  1. Los planetas se mueven en órbitas elípticas, con el sol en uno de los focos de la elipse (el foco es un punto especial dentro de una elipse, que cumple un rol similar al del_centro_ de un círculo).
  2. La línea que une un planeta cualquiera con el sol barre áreas iguales en tiempos iguales.
  3. El cuadrado del tiempo que le lleva a un planeta dar una vuelta completa alrededor del sol es proporcional al cubo de su máxima distancia al mismo.
Hace 400 años, Isaac Newton unificó las leyes de Kepler para los planetas con las observaciones terrenas de Galileo Galilei, en sus leyes del movimiento. Es muy difícil exagerar la brillantez de Newton. Inventó un área completa de las matemáticas, el cálculo, para poder completar esa tarea.

PD

En particular, Newton notó que la segunda ley de Kepler sólo es cierta si la fuerza de gravedad que atrae a la Tierra apunta hacia el Sol. Y notó además que la tercera ley es cierta si la fuerza de gravedad decrece como el cuadrado de la distancia al Sol, es decir que si duplicamos la distancia, la fuerza es cuatro veces menor, si la triplicamos es nueve veces menor, y así.

La fuerza es además proporcional a la masa del Sol, un sol mayor implicaría una fuerza mayor. Para ser mas precisos, la fuerza es proporcional a la masa encerrada dentro de la órbita, independientemente de si se encuentra toda concentrada en el sol, o formando un halo más diluído a su alrededor.

En el siglo XX, las leyes de Newton se aplicaron fuera del sistema solar, a nuestra galaxia y a otras. Las galaxias son enormes aglomeraciones de estrellas que giran en torno a un centro común. El Sol es parte de la galaxia conocida como Vía Lactea. La fuerza que mantiene unidas esas estrellas al todo galáctico es la de gravedad, por lo que cumple con las leyes de Newton. Luego las órbitas de las estrellas deberían cumplir con las leyes de Kepler.
  1. Las estrellas deberían girar en órbitas elípticas con el centro galáctico en uno de los focos de la elipse.
  2. La línea que une una estrella cualquiera con el centro galáctico debería barrer areas iguales en tiempos iguales.
  3. El cuadrado del tiempo que le lleva a una estrella cualquiera rodear la galaxia debería ser proporcional al cubo de su distancia al centro galáctico.
PD

Lo interesante es que la primera ley y la segunda ley se cumplen, pero la tercera ley no: las estrellas tardan mucho menos en dar una vuelta en torno al centro galáctico de lo que deberían tardar si cumplieran con la tercera ley. 

Esto implica que la fuerza que atrae a la estrella hacia el centro galáctico no decrece como el cuadrado de la distancia. O sea que, o bien no vale la ley de gravedad, o bien dentro de las órbitas de las estrellas más lejanas hay más masa que dentro de las órbitas de las estrellas cercanas. La primera opción aterroriza a los físicos, que son radicalmente conservadores. La segunda es más aceptable: hay un halo de materia que no vemos, o materia oscura, alrededor del centro galáctico.

La materia oscura forma un halo extendido, por lo que las orbitas de las estrellas más externas encierran una cantidad mayor, más masiva, que la que encierran las de las estrellas más cercanas.

El problema con la materia oscura es que ¡no se ve! Eso quiere decir que no interactúa con la luz, algo bastante raro, aunque no imposible. Uno de los misterios abiertos de la física moderna es qué es la materia oscura.

Lo interesante es que si hay un halo de materia oscura en torno al centro galáctico, nosotros lo estamos atravesando ahora. Y no nos toca.

Mové tu mano de lado a lado. Estás atravezando materia oscura, sin sentirla.

2 comentarios:

  1. Pero Kepler no hablaba de lo que ocurría en la galaxia entera, hablaba del sistema solar y sus planetas.

    En la galaxia lo que no se cumple es con la ley de Newton. Dejalo a Kepler tranquilo.

    Siguiendo a Newton una estrella de la periferia de la galaxia debería comportarse igual que un planeta de la periferia del sistema solar, puesto que su ley de gravitación es "universal".

    Pero eso no es lo que ocurre.

    Y se podría dudar de que el descubrimiento de la materia oscura salve a la ley de Newton. Porque si hay materia oscura en una parte de la galaxia por qué no la habría en todas partes, en el sistema solar mismo?

    Si se descubre materia oscura en el sistema solar mismo, entonces seguiría estando mal la ley de Newton, puesto que en este sistema se verifica su cumplimiento sin la materia oscura.

    ResponderEliminar
  2. Las leyes de Kepler se cumplen en cualquier sistema newtoniano. Son una manera entreverada de decir que la fuerza apunta al centro y va como la inversa del cuadrado. O sea que tambien debería cumplirse en la Galaxia.

    Si la ley no es de cuadrado inverso, muchas otras cosas empiezan a fallar. Toda la dinámica de evolución del universo y de la formación de las galaxias depende de ello. Por eso la materia oscura es la hipótesis más barata.

    Y si, hay materia oscura en el sistema solar, lo que pasa es que su densidad es muy baja como para afectar las orbitas planetarias. Los experimentos de detección directa tratan de medirla.

    ResponderEliminar