Matèria fosca

En cosmologia, la matèria fosca és un tipus de matèria hipotètica, de composició desconeguda, que no interacciona amb la radiació electromagnètica, però la presència de la qual es pot inferir a partir dels efectes gravitatoris sobre galàxies. El primer a utilitzar-ne el terme fou l'astrofísic Fritz Zwicky el 1933.

Aquesta hipòtesi intenta esclarir diverses observacions astronòmiques actualment sense explicació, com les anomalies en la rotació d'algunes galàxies. A partir de les observacions, es creu que, si realment existeix aquesta matèria fosca, hauria de ser molt més abundant que la matèria visible directament observable; en concret el 4% seria la matèria visible, el 24% seria matèria fosca i el restant 72% seria energia fosca, un altre component hipotètic. A més a més, la matèria fosca també podria resoldre certs problemes del model del big bang; seria clau en la formació de les primeres estructures cosmològiques i podria estar relacionada amb la supersimetria. Actualment, el problema de la matèria fosca i la determinació de la seva naturalesa és un dels temes més importants en cosmologia i en física de partícules.

Evidència de matèria fosca

La matèria fosca fou proposada per l'astrofísic suís Fritz Zwicky el 1933 mentre calculava la massa total del cúmul de galàxies Coma, basant-se en el moviment de les galàxies més exteriors. Quan comparà la massa calculada d'aquesta forma amb la calculada a partir de les galàxies observades i la seva brillantor, trobà que la massa era 400 vegades superior a l'esperada. La gravetat de les galàxies visibles centrals del cúmul era massa petita per a provocar la gran velocitat de les galàxies exteriors, de manera que havia d'haver-n'hi més massa en algun lloc.

Rotació galàctica

La majoria d'evidència per a la matèria fosca prové de l'estudi del moviment de galàxies i cúmuls de galàxies. Com la majoria en són bastant uniformes, segons el teorema del virial, l'energia cinètica total hauria de ser igual a la meitat de l'energia potencial gravitatòria de lligam entre les estrelles de la galàxia. En canvi, experimentalment es troba que l'energia cinètica és molt superior. En altres paraules, les galàxies es mouen molt més ràpid del que haurien de moure's segons la massa observada. La manera més simple d'explicar aquesta contradicció és suposar que la massa visible només és una part de la massa total. Les corbes de rotació de les galàxies (que ens donen la velocitat orbital en funció de la distància al centre de la galàxia) no en coincideixen amb les observades.

Formació d'estructures

Per a explicar l'estructura a gran escala de l'univers, cal una gran quantitat de matèria no bariònica (és a dir, diferent de protons, neutrons i altres partícules pesades inestables). Segons els models cosmològics, la matèria bariònica ordinària tenia massa temperatura i pressió com per a poder formar estructures com les estrelles. Una possible solució és suposar que hi havia grans quantitats de matèria no bariònica, i simulacions realitzades amb aquesta hipòtesi confirmen que és consistent amb l'estructura actual de l'univers. Evidentment, la matèria fosca necessària per a solucionar un problema també en solucionaria l'altre.

Composició

Un dels problemes de la matèria fosca és descobrir de què és formada: és matèria normal que simplement no podem observar? O és matèria formada per partícules fins ara desconegudes? En aquest darrer cas, ¿com encaixarien aquestes partícules en els models actuals de constitució de la matèria? S'han proposat diverses possibilitats per explicar la composició de la matèria fosca, que podem resumir en tres grans blocs (cal tenir en compte que es poden donar tots tres simultàniament):

• Matèria fosca calenta. Consistiria en partícules lleugeres que es desplaçarien a velocitats relativistes. El neutrí és una partícula amb aquestes característiques; però, tot i que té massa i no interacciona fàcilment amb altres partícules, els càlculs indiquen que la massa total de neutrins només podria representar una part molt petita de la matèria fosca. D'altra banda, tampoc no poden constituir la solució del problema de la formació d'estructures.

• Matèria fosca freda. Consistiria en partícules més pesants, però que no es desplaçarien a velocitats relativistes. Aquestes partícules són només hipotètiques i segons diverses suposicions poden ser els axions, les partícules massives fortament interactives o SIMP (strongly interacting massive particles), o les partícules massives feblement interactives o WIMP (weakly interacting massive particles), entre les quals es troba el neutralí. Aquestes diverses partícules, que no formen part del model estàndard, apareixen en diversos models teòrics que prenen en consideració la supersimetria. Malgrat que l'opció de la matèria fosca freda és la més acceptada actualment, no hi ha proves experimentals i els models teòrics n'estan poc consolidats.

• Matèria fosca bariònica. Seria matèria fosca formada per matèria normal, però que emet molt poca radiació. Les grans masses, com els forats negres galàctics, en queden excloses, ja que es poden detectar per altres mitjans. Les possibilitats que resten són les nanes marrons o les acumulacions interestel·lars d'elements pesants, anomenats objectes d'halo massius i compactes, o MACHO (massive compact halo objects). Malgrat que aquests objectes poden contribuir certament a la quantitat observada de matèria fosca, actualment es considera que només en representarien una part molt petita.

Vegeu també

• CREDO, projecte científic per detectar els raigs còsmics i buscar matèria fosca.
• Galàxia fosca.