Divulgación Dudas sobre la materia oscura

[Visitante]

Un saludo para todos,

Tengo una duda sobre la incorporación de la “materia oscura” al terreno de la física.

Hasta donde sé la idea de la “materia oscura” fue introducida para dar una explicación al porque las galaxias giran tan rápidamente.

Tengo entendido que según las ecuaciones de Kepler y Newton se esperaría que las estrellas más alejadas del centro de la galaxia giraran más lentamente que las situadas próximas a este. Pero que a través de mediciones y observasiones astronómicas se demostró que eso no es correcto.

Se observó que las estrellas llevan una velocidad muy superior a la esperada y por consecuencia debería existir alguna explicación para que aún siguieran en orbita alrededor de la galaxia.

Allí es donde introdujeron la idea de “materia oscura”, una materia que no se puede ver pero que sin embargo interaciona gravitacionalmente con la materia ordinaria. Dicha materia oscura se supone que genera una ATRACCIÓN gravitatoria sobre la materia ordinaria que aumenta la cantidad de masa efectiva de la galaxia y por tanto da una explicación al movimiento rotacional observado.

Y aquí es donde tengo mis dudas.

Si la catidad de masa de toda la galaxia aumenta, no tendrían que aumentar TODAS las velocidades de las estrellas en rotación, permaneciendo la misma espectativa, que las más cercanas giraran más rápido que las más lejanas.

No hubiese sido mejor introducir la idea de que entre la “materia oscura” y la “materia ordinaria” hubiese una fuerza de REPULSIÓN gravitatoria.
Creo que de está forma se podría pensar que toda la “materia ordinaria” que conforma a la galaxia esta envuelta por una gran cantidad de “materia oscura” que la rodea totalmente, y que al ser gravitatoriamente repulsiva la contiene y retiene (parecido a como las botellas magnéticas contienen al plasma en su interior).

Suponiendo que pudieramos calcular esa Fuerza de Repulsión Gravitatoria entre la “materia oscura” y la “materia ordinaria” a través de la siguiente fórmula:

Fuerza(repulción) = ( G * M(oscura) * M(ordinaria) ) / Distancia^2

Así las estrellas más cercanas al BORDE de la galaxia tendrían que experimentar una repulsión MAYOR, que las encontradas más alejadas del BORDE, y dicha fuerza de repulsión estaría dirigida siempre hacia el centro galáctico.



La fuerza de repulsión sería mayor a medida que las estrellas se acercan al límite de la galaxia e iría disminuyendo a medida que las estrellas sean ubicadas más hacia el centro, tal como lo necesitábamos.

La crucial diferencia entre la Fuerza Gravitatoria Atractiva y la Fuerza Gravitatoria Repulsiva estaría en la forma en la que su módulo varía, si una se hace más fuerte la otra se hace más débil, y viceversa.

Lo irónico del asunto es que ambas fuerzas, la de atracción debida a la materia ordinaria y la de repulsión debida a la “materia oscura” externa, vistas de este modo se tendrían que dirigir en la misma dirección, hacia el centro de la galaxia. Ejerciendo un efecto parecido a la compresión o contención de la galaxia.

La sumatoria de las fuerzas de atracción y repulsión, permitirían a las estrellas experimentar una mayor fuerza centrípeta a la esperada solo por la fuerza de atracción.
Debido a esto cualquiera sea la órbita de la estrella, este aumento en la fuerza centrípeta debería ser percibido como un aumento de la velocidad orbital (o tangencial) que la compense para mantenerla equilibrada en su órbita. Provocando que toda la galaxia gire más rápido de lo esperado según la aplicación de las fórmulas de Newton-Kepler, pero de la manera en que las observaciones lo confirman, no acelerando tanto a las estrellas cercanas al centro galáctico y acelerando bastante a las del borde.

Me despido por ahora en espera de sus opiniones

Muchas Gracias.

[Visitante]

Re: Dudas sobre la materia oscura

¿Pero ese modelo no supondría que los sistemas estelares van cayendo poco a poco hacia el centro de la galaxia?

[ctap07b9]

Re: Dudas sobre la materia oscura

Tengo entendido que en las galaxias siguen girando las estrellas interiores mas rápidamente
que las exteriores, cumpliendo la teoría de Newton/Kepler.

Lo que sorprende es que debido a las observaciones realizadas, las velocidades son superiores
a las esperadas, y por tanto añadir más materia al sistema galáctico solucionaría la duda.

La materia oscura aportaría por tanto más velocidad a la rotación tanto de las interiores como
de las exteriores estrellas, pero ese masa no detectable experimentalmente es una suposición.

Saludos.

[guibix]

Re: Dudas sobre la materia oscura

Hola.

Por lo que se observa, se cree que la materia oscura envuelve y “llena” la galaxia y se distribuye de manera bastante uniforme, como un gas. Al no interaccionar electromagnéticamente, sus partículas no pierden energía y no puede agregarse para formar estructuras mayores (estrellas, planetas, etc). Por lo tanto es como un halo esferoide algo más denso en el centro que en los extremos.


Según la Ley de Gauss, con esa distribución cada estrella en la galaxia interacción gravitacionalmente con la esfera de materia del radio al que está la estrella del centro. Toda la materia al exterior de la esfera anula sus fuerzas. Esto tiene como resultado que las estrellas más exteriores tienen mucha materia oscura dentro de la esfera y orbitan una masa mayor que las estrellas que están más cerca del centro. Éstas últimas tienen poca materia oscura dentro su esfera y orbitan una masa menor.

De esto resulta que las velocidades de las orbitas no siguen la ley proporcional al inverso de la raíz del radio. Ya que al aumentar el radio, también aumentamos la masa al interior de la esfera.

Saludos.

[Visitante]

Re: Dudas sobre la materia oscura

Hola.

Por lo que se observa, se cree que la materia oscura envuelve y “llena” la galaxia y se distribuye de manera bastante uniforme, como un gas. Al no interaccionar electromagnéticamente, sus partículas no pierden energía y no puede agregarse para formar estructuras mayores (estrellas, planetas, etc). Por lo tanto es como un halo esferoide algo más denso en el centro que en los extremos.


Según la Ley de Gauss, con esa distribución cada estrella en la galaxia interacción gravitacionalmente con la esfera de materia del radio al que está la estrella del centro. Toda la materia al exterior de la esfera anula sus fuerzas. Esto tiene como resultado que las estrellas más exteriores tienen mucha materia oscura dentro de la esfera y orbitan una masa mayor que las estrellas que están más cerca del centro. Éstas últimas tienen poca materia oscura dentro su esfera y orbitan una masa menor.

De esto resulta que las velocidades de las orbitas no siguen la ley proporcional al inverso de la raíz del radio. Ya que al aumentar el radio, también aumentamos la masa al interior de la esfera.

Saludos.

Hola.

El principal problema que veo con está interpretación es que la "materia oscura" genera una acción sobre la "materia ordinaria" pero dicha acción no tiene ninguna reacción opuesta en la "materia oscura".

Me parece que la distribución de la "materia oscura" está propuesta "had hoc" para que pueda explicar la velocidad de rotación de las estrellas, pero no se da una verdadera explicación, de por que toma esa forma, que es lo que la tiene sujeta a ese lugar. De cumplirse la ley de acción y reacción entre la materia oscura y la materia ordinaria, la mayor cantidad de materia oscura debería intentar viajar al centro de la galaxía, ya que de allí proviene la mayor fuerza de atracción.

En cambio desde mi interpretación, así como la materia oscura repele a la materia ordinaria, la materia ordinaria también repele a la materia oscura, acción y reacción, de manera que la sola existencia de la materia ordinaria en la galaxia es razón suficiente para que la matria oscura se aleje tratando de evitarla, quedando a su alrededor envolviendola.

Para tratar de ilustrar la idea más claramente imagino que todos están familiarizados con el ejemplo de las bolas pesadas de diferentes tamaños colocas sobre una membrana elástica que representa al espacio-tiempo curvándose por efecto de su masa.

Imaginen que -por debajo- de la membrana también podamos colocar algo, materia oscura que hagan presión hacia arriba, o sea que curve a la membrana en sentido opuesto, toda la materia oscura que esté por debajo de la membrana se atraería, pero también repelería a todos las bolas ubicadas del otro lado da la membrana.



El valor agregado de mi interpretación es que, de ser cierta, la existencia de la materia oscura, la materia ordinara y su repulsión gravitatoria podrian ser la explicación a lo que percibimos como "Energía Oscura", ya que sería lógico pensar que mientras mayor cantidad de materia oscura se encuentre entre dos galaxia, mayor será la repulsión aparente entre dichas galaxias. Y digo aparente porque las galaxias se siguen atrayendo la una a la otra, pero más debilmente de lo que son repelidas por la materia oscura que las separa.

Saludos.

- - - Actualizado - - -

¿Pero ese modelo no supondría que los sistemas estelares van cayendo poco a poco hacia el centro de la galaxia?

Hola,

No, en el modelo solo se dibujan las fuerzas atractivas y repulsivas, pero en el texto se explica que para no caer, o sea, para permanecer en orbita (recuerda que todo está girando), sólo se necesita compensar con una velocidad orbital (o tangencia) mayor, equivalente a las observadas a través de los actuales instrumentos astrónomicos de medición.

Saludos.

[arivasm]

Re: Dudas sobre la materia oscura

...la "materia oscura" genera una acción sobre la "materia ordinaria" pero dicha acción no tiene ninguna reacción opuesta en la "materia oscura".

¿De dónde sacas eso? Por supuesto que la distribución de materia oscura de una galaxia evolucionará debido a la interacción con *toda* la materia de la misma.

Me parece que la distribución de la "materia oscura" está propuesta "had hoc" para que pueda explicar la velocidad de rotación de las estrellas, pero no se da una verdadera explicación...

Es un clásico en el foro. Conviene no confundir el "desconozco la explicación" con "no se da una explicación".

En cambio desde mi interpretación, así como la materia oscura repele a la materia ordinaria, la materia ordinaria también repele a la materia oscura, acción y reacción, de manera que la sola existencia de la materia ordinaria en la galaxia es razón suficiente para que la matria oscura se aleje tratando de evitarla, quedando a su alrededor envolviendola.

......

Este foro no es el lugar adecuado para "mi teoría" si ésta no ha sido objeto del debido contraste por especialistas y desde luego nunca si se trata de meras especulaciones.

De hecho, si continúa en la línea del mensaje anterior, la moderación se verá obligada al cierre del hilo.

[Visitante]

Re: Dudas sobre la materia oscura

Hola.

No, en realidad según las leyes de Kepler-Newton, se esperaria que la galaxia girará de la misma forma en la que lo hacen los planetas en el sistema solar, dónde los objetos más cercanos al origen del campo gravitacional giran con mucha mayor velocidad que los más alejados.

A través de las observaciones se demostró que no es de esa forma en la que las galaxias giran, la velocidad rotacional de las estrellas alrededor de la galaxia se mantiene bastante constante, aun cuando las estrellas se encuentran en orbitas muy alejadas del centro galáctico.



Eso fue lo que en primer lugar dió origen a la inclusión de la "materia oscura" en la situación.

Saludos

[arivasm]

Re: Dudas sobre la materia oscura

No, en realidad según las leyes de Kepler-Newton, se esperaria que la galaxia girará de la misma forma en la que lo hacen los planetas en el sistema solar, dónde los objetos más cercanos al origen del campo gravitacional giran con mucha mayor velocidad que los más alejados.

Por ponerlo sencillo: imaginemos una distribución de masa con simetría esférica y además densidad uniforme $\rho$. Por supuesto, ambas cosas nos apartan de un modelo razonable para una galaxia. Sólo se trata de ilustrar que no debemos hablar de órbitas keplerianas fuera de lo que es su contexto: el movimiento gravitacional alrededor de un *único* cuerpo masivo. Pero sí, por supuesto, de órbitas newtonianas.

Como decía, al aplicar el teorema de Gauss encontramos que la intensidad del campo gravitatorio crece linealmente con la distancia, concretamente, $g=\frac{4}{3}\pi G\rho r$. Si nos limitamos a partículas en movimiento circular alrededor del centro del sistema, de $g=\frac{v^2}{r}$ se sigue que la velocidad crece en este caso linealmente con la distancia al centro.

El caso de la distribución de las velocidades de las galaxias, sin materia oscura, parte de la consideración de que la distribución de materia no es uniforme (la densidad es mayor en las inmediaciones del centro que en el exterior), así como el "aplanamiento" de la estructura.

El efecto de la materia oscura sería sesgar la distribución de las velocidades, respecto de la anterior, cara un aumento a medida que lo hace la distancia al centro. No hay ninguna magia al respecto, más allá del desconocimiento de cuál es exactamente la distribución de dicha materia (otra cosa bien diferente es, por supuesto, en qué consiste dicha materia).

[Visitante]

Re: Dudas sobre la materia oscura

Mil Disculpas....

No confunda mi entusiasmo por la física y la astrofisica con prepotencia.

No he dado ninguna teoría, de hecho no creo haber utilizado antes esa palabra, la verdad es que me queda muy grande.

Solo expongo mis inquietudes desde mis pocos conocimientos, solo estoy en un foro de física, tratando de encontrar a personas con mis mismas inquitudes y que deseen compartir sus opiniones.

Si de alguna manera los insulté de verdad me disculpo.

Gracias.

- - - Actualizado - - -

Hola,

Que bueno que lo planteas en estos términos, los cálculos que yo realicé los pensé de esta forma...

Imaginé que contamos con el siguiente laboratorio galáctico:

1. Una masa galáctica de 9.798E+40 Kilogramos, ubicada toda en cu centro.
2. Cien estrellas de la masa del sol 1.989E+30 Kilogramos
3. Ubicar en orbita a cada una de las cien estrella a intervalos de 1.000 años luz a partir del centro de la galaxia
4. Suponer que todas las estrellas siguen una órbita exactamente circular en torno al centro galáctico.

Obviamente también alejado de la realidad, pero útil para los cálculos.

Utilizando la ecuación:



Obtuve los valores representados en la siguiente grafica:




Luego imaginé también que podía contar con una masa de materia oscura efectiva de unos 1.266E+12 Kg a una distancia de 1.000.000 años luz, lo que me permitió calcular la fuerza de repulsión sobre cada una de las estrella, para luego sumar todas las Fuerzas de Atracción y Repulsión y así obtener la Fuerza Centrípeta total, y luego con esa fuerza centripeta y las ecuaciones del movimiento circular obtener los valores de la velocidad tangencial para elaborar la siguiente gráfica.





y sorpresa, me pareció, que los valores obtenidos se asemejan bastante a los observados.

Por supuesto, que la cantidad de materia oscura y la distancia a la que se supuestamente se encuentran son una mera ESPECULACIÓN de mi parte.

Estos son los valores encontrados, los cuales fueron llevados a unidades de (km/s) y a (kpc) para ajustarlos a todas las gráficas que encontré durante la pequeña investigación que hice.



La forma en la que analicé los resultados fue la siguiente:

Por ejemplo, lo que ocurre a 27.000 años luz del centro galáctico, encontramos a nuestro sol, el cual según las ecuaciones de Kepler-Newton debería orbitar a una velocidad de 160 Km/s, pero que según mis cálculos debería estar orbitando a 220 Km/s.

Sin hacer ningún otro tipo de ajuste particular, se obtuve valores similares de corrección de velocidades orbitales a cualquier distancia del centro galáctico al que se encuentren las estrellas.

Se puede observar que en el rango de distancia de los 10.000 años luz hasta los 85.000 años luz, la velocidad orbital según estos cálculos se mantiene en el rango de 200 a 300 Km/s, mientras que con los esperados por Kepler–Newton caen desde los 262.91 hasta los 90.18 Km/s.

Seguramente que todo fue una pérdida de tiempo de mi parte, pero no sería honesto conmigo mismo si no muestro los resultados obtenidos para que sean analizados (y seguramente destrozados) por otros.

Saludos.

[arivasm]

Re: Dudas sobre la materia oscura

Partes de una expresión relativamente incorrecta. La expresión kepleriana, $\dst T^2 = \frac{4\pi^2}{GM}r^3$ es la que corresponde a una partícula que orbita gravitacionalmente en torno de otra, de masa muy superior.

El caso que nos ocupa evidentemente no es así. De todos modos, podemos adaptarla para el caso sobresimplificado de una distribución de materia (no importa si ordinaria u oscura!) con simetría esférica y partículas que se muevan circularmente en torno a su centro: $M$ es la masa que hay "por debajo", que en el caso de densidad constante (otra simplificación!) es proporcional al cubo de $r$ (esto es $\frac{4}{3}\pi r^3$), de manera que la anterior expresión kepleriana se convierte en $T^2=\frac{3\pi}{G\rho}$ (para otras distribuciones de densidad sería $M=4\pi\int_0^r \rho(r) r^2 \dd r$).

Otro error notable se da cuando hablas de repulsión: la gravedad (creada por materia ordinaria u oscura) es siempre atractiva.

Quizá te refieras a que esa materia oscura distante es la causante de esa "repulsión". Ahora bien, si está distribuida de manera que tiene simetría esférica, la gravedad que origina en su interior será nula!. Si, en cambio, piensas que se trata de una masa puntual las cosas son muchísimo peores!: el problema deja de ser de dos cuerpos y las órbitas ya no son keplerianas (ni siquiera son cerradas!).

En resumen, encuentro que lo que has hecho es jugar con la Física, pero con fallos importantes en el cumplimiento de sus reglas.

Un saludo

[Visitante]

Re: Dudas sobre la materia oscura

Partes de una expresión relativamente incorrecta. La expresión kepleriana, $\dst T^2 = \frac{4\pi^2}{GM}r^3$ es la que corresponde a una partícula que orbita gravitacionalmente en torno de otra, de masa muy superior.

El caso que nos ocupa evidentemente no es así. De todos modos, podemos adaptarla para el caso sobresimplificado de una distribución de materia (no importa si ordinaria u oscura!) con simetría esférica y partículas que se muevan circularmente en torno a su centro: $M$ es la masa que hay "por debajo", que en el caso de densidad constante (otra simplificación!) es proporcional al cubo de $r$ (esto es $\frac{4}{3}\pi r^3$), de manera que la anterior expresión kepleriana se convierte en $T^2=\frac{3\pi}{G\rho}$ (para otras distribuciones de densidad sería $M=4\pi\int_0^r \rho(r) r^2 \dd r$).

Otro error notable se da cuando hablas de repulsión: la gravedad (creada por materia ordinaria u oscura) es siempre atractiva.

Quizá te refieras a que esa materia oscura distante es la causante de esa "repulsión". Ahora bien, si está distribuida de manera que tiene simetría esférica, la gravedad que origina en su interior será nula!. Si, en cambio, piensas que se trata de una masa puntual las cosas son muchísimo peores!: el problema deja de ser de dos cuerpos y las órbitas ya no son keplerianas (ni siquiera son cerradas!).

En resumen, encuentro que lo que has hecho es jugar con la Física, pero con fallos importantes en el cumplimiento de sus reglas.

Un saludo

Buen Día,

En el modelo que propuse para el estudio ubiqué una masa galáctica bastante superior a las estrellas que la orbitan, por eso utilicé la fórmula Kepleria más simple.

La gravedad repulsiva, asumo que en realidad no existe, pero su existencia es la hipótesis principal del hilo en discusión. Más que un error notable, era lo que quería someter a evaluación.

Con respecto a la propuesta, si había imaginado una simetría esférica, y tal como señalas la gravedad que origina en su interior es nula, tanto si es atractiva como si fuera repulsiva.

En conclusión, mi idea no tiene fundamento.

Y ahora pregunto.

¿Como funcionan las botellas magnéticas diseñadas para contener plasma en su interior?, ¿que clases de ecuaciones rigen allí?, ¿se puede pensar en algo parecido para el problema de la velocidad de rotación de las galaxias, imaginando que la galaxia completa esta siendo "sostenida" por "algo"?

Saludos.

[arivasm]

Re: Dudas sobre la materia oscura

¿Como funcionan las botellas magnéticas diseñadas para contener plasma en su interior?, ¿que clases de ecuaciones rigen allí?, ¿se puede pensar en algo parecido para el problema de la velocidad de rotación de las galaxias, imaginando que la galaxia completa esta siendo "sostenida" por "algo"?

Resumiendo, se trata de campos magnéticos con una configuración adecuada para confinar las partículas. La forma más simple es el campo magnético perpendicular a la trayectoria de las partículas, que seguramente habrás estudiado en bachillerato. La ecuación que rige (si no se entra en detalles de tipo cuántico) es la Ley de Lorentz.

Por último, con respecto a una posible relación con la rotación galáctica la respuesta en un "no" rotundo: no hay un equivalente gravitatorio para el magnetismo, es decir, mientras que una carga origina un campo electromagnético, cuyas componentes pueden ser atribuibles a un campo eléctrico y uno magnético, ambos dependientes del estado de movimiento relativo entre la carga y el observador, no existe un análogo para una masa y el campo gravitatorio que origina.