25.3: La Masa de la Galaxia
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Objetivos de aprendizaje
Al final de esta sección, podrás:
- Describir intentos históricos para determinar la masa de la Galaxia
- Interpretar la curva de rotación observada de nuestra Galaxia para sugerir la presencia de materia oscura cuya distribución se extiende mucho más allá de la órbita del Sol
Cuando describimos las secciones de la Vía Láctea, dijimos que ahora se sabe que las estrellas están rodeadas por un halo mucho mayor de materia invisible. Veamos cómo se hizo este sorprendente descubrimiento.
Kepler ayuda a pesar la galaxia
El Sol, como todas las demás estrellas de la Galaxia, orbita el centro de la Vía Láctea. La órbita de nuestra estrella es casi circular y se encuentra en el disco de la Galaxia. La velocidad del Sol en su órbita es de unos 200 kilómetros por segundo, lo que significa que nos lleva aproximadamente 225 millones de años recorrer una vez el centro de la Galaxia. Llamamos al periodo de la revolución del Sol el año galáctico. Es mucho tiempo comparado con las escalas de tiempo humanas; durante toda la vida de la Tierra, sólo han pasado unos 20 años galácticos. Esto significa que solo hemos recorrido una pequeña fracción del camino alrededor de la Galaxia en todo el tiempo que los humanos han mirado al cielo.
Podemos usar la información sobre la órbita del Sol para estimar la masa de la Galaxia (así como podríamos “pesar” al Sol monitoreando la órbita de un planeta a su alrededor, ver Órbitas y Gravedad). Supongamos que la órbita del Sol es circular y que la Galaxia es aproximadamente esférica, (sabemos que la Galaxia tiene más forma de disco, pero para simplificar el cálculo haremos esta suposición, que ilustra el enfoque básico). Hace mucho tiempo, Newton demostró que si tienes materia distribuida en forma de esfera, entonces es sencillo calcular la atracción de la gravedad sobre algún objeto justo fuera de esa esfera: puedes suponer que la gravedad actúa como si toda la materia estuviera concentrada en un punto en el centro de la esfera. Para nuestro cálculo, entonces, podemos suponer que toda la masa que yace hacia adentro de la posición del Sol se concentra en el centro de la Galaxia, y que el Sol orbita ese punto desde una distancia de unos 26,000 años luz.
Este es el tipo de situación a la que se puede aplicar directamente la tercera ley de Kepler (modificada por Newton). Al enchufar números a la fórmula de Kepler, podemos calcular la suma de las masas de la Galaxia y el Sol. No obstante, la masa del Sol es completamente trivial en comparación con la masa de la Galaxia. Así, para todos los fines prácticos, el resultado (alrededor de 100 mil millones de veces la masa del Sol) es la masa de la Vía Láctea. Los cálculos más sofisticados basados en modelos más sofisticados dan un resultado similar.
Nuestra estimación nos dice cuánta masa está contenida en el volumen dentro de la órbita del Sol. Esta es una buena estimación para la masa total de la Galaxia solo si casi ninguna masa se encuentra fuera de la órbita del Sol. Durante muchos años los astrónomos pensaron que esta suposición era razonable. El número de estrellas brillantes y la cantidad de materia luminosa (es decir, cualquier material a partir del cual podamos detectar radiación electromagnética) caen dramáticamente a distancias de más de aproximadamente 30,000 años-luz del centro galáctico. Poco sospechábamos lo equivocada que era nuestra suposición.
Una galaxia de materia mayormente invisible
En la ciencia, lo que parece ser una suposición razonable puede resultar más tarde erróneo (razón por la cual seguimos haciendo observaciones y experimentos cada vez que tenemos la oportunidad). Hay mucho más en la Vía Láctea de lo que parece (o nuestros instrumentos). Si bien hay relativamente poca materia luminosa más allá de los 30,000 años luz, ahora sabemos que existe mucha materia invisible a grandes distancias del centro galáctico.
Podemos entender cómo los astrónomos detectaron esta materia invisible al recordar que según la tercera ley de Kepler, los objetos que orbitan a grandes distancias de un objeto masivo se moverán más lentamente que los objetos que están más cerca de esa masa central. En el caso del sistema solar, por ejemplo, los planetas exteriores se mueven más lentamente en sus órbitas que los planetas cercanos al Sol.
Hay algunos objetos, entre ellos cúmulos globulares y algunas pequeñas galaxias satélites cercanas, que se encuentran muy fuera del límite luminoso de la Vía Láctea. Si la mayor parte de la masa de nuestra Galaxia estuviera concentrada dentro de la región luminosa, entonces estos objetos muy distantes deberían viajar alrededor de sus órbitas galácticas a velocidades más bajas que, por ejemplo, lo hace el Sol.
Resulta, sin embargo, que los pocos objetos que se ven a grandes distancias del límite luminoso de la Galaxia de la Vía Láctea no se mueven más lentamente que el Sol. Hay algunos cúmulos globulares y estrellas RR Lyrae entre 30 mil y 150 mil años luz del centro de la Galaxia, y sus velocidades orbitales son incluso mayores que las del Sol (Figura\(\PageIndex{1}\)).
¿Qué significan estas velocidades más altas? La tercera ley de Kepler nos dice lo rápido que los objetos deben orbitar una fuente de gravedad si no van a caer (porque se mueven demasiado lentamente) ni para escapar (porque se mueven demasiado rápido). Si la Galaxia solo tuviera la masa calculada por Kepler, entonces los objetos exteriores de alta velocidad deberían haber escapado hace mucho tiempo del agarre de la Vía Láctea. El hecho de que no lo hayan hecho significa que nuestra Galaxia debe tener más gravedad de la que puede ser suministrada por la materia luminosa, de hecho, mucha más gravedad. La alta velocidad de estos objetos exteriores nos dice que la fuente de esta gravedad extra debe extenderse hacia afuera desde el centro mucho más allá de la órbita del Sol.
Si la gravedad fue suministrada por estrellas o por alguna otra cosa que emita radiación, deberíamos haber manchado este material exterior adicional hace mucho tiempo. Por lo tanto, nos vemos forzados a la conclusión renuente de que este asunto es invisible y, a excepción de su atracción gravitacional, ha pasado completamente desapercibido.
Los estudios de los movimientos de los cúmulos globulares más remotos y las pequeñas galaxias que orbitan las nuestras propias muestran que la masa total de la Galaxia es al menos\(2 \times 10^{12}\)\(M_{\text{Sun}}\), que es unas veinte veces mayor que la cantidad de materia luminosa. Además, la materia oscura (como los astrónomos han llegado a llamar el material invisible) se extiende a una distancia de al menos 200 mil años luz del centro de la Galaxia. Las observaciones indican que este halo de materia oscura es casi pero no del todo esférico.
La pregunta obvia es: ¿de qué está hecha la materia oscura? Veamos una lista de “sospechosos” extraídos de nuestro estudio de astronomía hasta el momento. Dado que este asunto es invisible, claramente no puede ser en forma de estrellas ordinarias. Y no puede ser gas en ninguna forma (recuerda que tiene que haber mucho). Si se tratara de gas hidrógeno neutro, su emisión de línea espectral de longitud de onda de 21 cm habría sido detectada como ondas de radio. Si fuera hidrógeno ionizado, debería estar lo suficientemente caliente como para emitir radiación visible. Si muchos átomos de hidrógeno por ahí se hubieran combinado en moléculas de hidrógeno, éstas deberían producir rasgos oscuros en los espectros ultravioleta de los objetos que se encuentran más allá de la Galaxia, pero tales características no se han visto. Tampoco la materia oscura puede consistir en polvo interestelar, ya que en las cantidades requeridas, el polvo oscurecería significativamente la luz de galaxias distantes.
¿Cuáles son nuestras otras posibilidades? La materia oscura no puede ser una gran cantidad de agujeros negros (de masa estelar) o viejas estrellas de neutrones, ya que la materia interestelar que cae sobre tales objetos produciría más rayos X de los que se observan. También, recordemos que la formación de agujeros negros y estrellas de neutrones está precedida por una cantidad sustancial de pérdida de masa, que dispersa elementos pesados al espacio para ser incorporados a las generaciones posteriores de estrellas. Si la materia oscura consistiera en una enorme cantidad de alguno de esos objetos, habrían volado y reciclado muchos elementos más pesados a lo largo de la historia de la Galaxia. En ese caso, las estrellas jóvenes que observamos hoy en nuestra Galaxia contendrían abundancias mucho mayores de elementos pesados de lo que realmente lo hacen.
También se han descartado las enanas marrones y los planetas solitarios parecidos a Júpiter. En primer lugar, tendría que haber muchísimos para maquillar tanta materia oscura. Pero tenemos una prueba más directa de si tantos objetos de baja masa podrían estar acechando ahí fuera. Como aprendimos en Agujeros Negros y Espacio-Tiempo Curvo, la teoría general de la relatividad predice que el camino recorrido por la luz cambia cuando pasa cerca de una concentración de masa. Resulta que cuando los dos objetos aparecen lo suficientemente cerca en el cielo, la masa más cercana a nosotros puede doblar la luz desde más lejos. Con solo la alineación correcta, la imagen del objeto más distante también se vuelve significativamente más brillante. Al buscar el brillo temporal que se produce cuando un objeto de materia oscura en nuestra propia Galaxia se mueve a través del camino recorrido por la luz de las estrellas en las Nubes de Magallanes, los astrónomos han demostrado ahora que la materia oscura no puede estar compuesta por muchos objetos pequeños con masas entre una millonésima y una décima la masa del Sol.
¿Qué queda? Una posibilidad es que la materia oscura esté compuesta por partículas exóticas subatómicas de un tipo aún no detectado en la Tierra. Ahora se están realizando experimentos muy sofisticados (y difíciles) para buscar tales partículas. Estén atentos para ver si aparece algo así.
Debemos añadir que el problema de la materia oscura no se limita en modo alguno a la Vía Láctea. Las observaciones muestran que la materia oscura también debe estar presente en otras galaxias (cuyas regiones exteriores también orbitan demasiado rápido “por su propio bien” —también tienen curvas de rotación planas). Como veremos, la materia oscura incluso existe en grandes cúmulos de galaxias cuyos miembros ahora se sabe que se mueven bajo la influencia de mucha más gravedad de la que solo puede explicar la materia luminosa.
Detente un momento y considera cuán asombrosa es realmente la conclusión a la que hemos llegado. Quizás tanto como el 95% de la masa en nuestra Galaxia (y muchas otras galaxias) no sólo es invisible, sino que ni siquiera sabemos de qué está hecha. Las estrellas y la materia prima que podemos observar pueden ser meramente la punta del iceberg cósmico; subyacente a todo puede haber otra materia, quizás familiar, quizás sorprendentemente nueva. Comprender la naturaleza de esta materia oscura es uno de los grandes desafíos de la astronomía hoy en día; aprenderás más sobre esto en Un universo de (mayormente) Materia Oscura y Energía Oscura.
Resumen
El Sol gira completamente alrededor del centro galáctico en unos 225 millones de años (un año galáctico). La masa de la Galaxia se puede determinar midiendo las velocidades orbitales de las estrellas y la materia interestelar. Se trata de la masa total de la Galaxia\(2 \times 10^{12}\)\(M_{\text{Sun}}\). Hasta el 95% de esta masa consiste en materia oscura que no emite radiación electromagnética y sólo puede ser detectada por la fuerza gravitacional que ejerce sobre las estrellas visibles y la materia interestelar. Esta materia oscura se encuentra principalmente en el halo de la Galaxia; su naturaleza no se entiende bien en la actualidad.
Glosario
- materia oscura
- masa no luminosa, cuya presencia solo puede inferirse por su influencia gravitacional sobre la materia luminosa; se desconoce la composición de la materia oscura