Las galaxias giran raro…


Esta entrada ha sido escrita para nuestro amigo Sal. Un colega que estoy seguro que algún día responderá a esta u otras preguntas y encontrará otras tan divertidas o más que esta.  😉

El problema de la rotación de las galaxias. ¿Cuál es el problema?

Es muy conocido el tema este de la materia oscura. Esa materia rara que no emite radiación electromagnética, no emite luz, y no podemos detectar por su comportamiento electromagnético (pero si existe encontraremos la forma de detectarla). Sin embargo, algo ha hecho que los científicos hayan acudido a esta extraña forma de materia para explicar un par de cosas que no entendemos todavía.

En esta entrada no vamos a hablar de materia oscura sino de un problema que sugirió su existencia. Vamos a ir paso a paso para que podamos entender el origen y la importancia del problema.

¿A qué velocidad giras?

Supongamos que tenemos una masa M que genera un campo gravitatorio y una masa m que está orbitando a su alrededor.

Aquí necesitamos algunos conceptos:

1.- La fuerza entre las dos masas viene dada por la ley de la gravitación universal de Newton:

F=G\dfrac{Mm}{R^2}

2.-  La aceleración con la que gira la partícula, llamada aceleración centrípeta, es:

a=\dfrac{v^2}{R}

3.-  Ahora tomamos la segunda ley de Newton, F=ma y la igualamos a la fuerza gravitatoria:

ma=G\dfrac{Mm}{R^2}

4.-  Sustituimos la aceleración por su expresión en términos de la velocidad en la órbita y el radio nos queda:

m\dfrac{v^2}{R}=G\dfrac{Mm}{R^2}

Esto nos queda:    v^2=G\dfrac{M}{R}

5.-  La velocidad en la órbita viene dada por:

v=\sqrt{G\dfrac{M}{R}}

¿Qué podemos aprender de la fórmula de v orbital?

a)  Lo primero es que tenemos la masa M en el numerador y el radio R en el denominador.

b)  Si estoy a un radio R fijo, cuanto mayor sea M mayor será la velocidad orbital del otro cuerpo. Y viceversa, cuanto menor sea M menor será la velocidad orbital del cuerpo en la órbita circular.

c)  Si tengo una masa M fija, al aumentar R (alejándome de M) la velocidad será menor.  Al disminuir R (acercándome a M) la velocidad será mayor.

¿Qué pasa con las galaxias?

Una galaxia (espiral) se puede considerar un disco de materia que tiene densidad diferente según la distancia al núcleo de la galaxia en el que estemos mirando.  Entonces podemos usar la fórmula anterior de la velocidad pero en este caso tendremos una masa M que dependerá de la distancia al núcleo galáctico M(R).

¿Cómo es M(R)?

1.-  Desde el núcleo encontramos una zona donde la masa aumenta. Esto es debido a que hay una gran concentración de gas y estrellas en los centros galácticos, son zonas muy activas dentro de la galaxia.

2.-  Conforme nos alejamos del centro llega un momento en que la masa empieza a disminuir.  El polvo, el gas y las estrellas cada vez son más escasas.

Entonces tenemos los siguientes casos:

a)  Desde el núcleo hasta una determinada región M(R) aumenta. Y este aumento es mucho mayor que lo que aumenta el radio.  Por tanto en la fórmula de la velocidad tenemos que aunque R aumenta, la masa lo hace más rápido y por tanto la velocidad orbital se va incrementando.

b)  Luego entramos en la zona en la que M(R) disminuye y el radio, evidentemente, sigue aumentando.  En esta región por tanto la velocidad orbital empieza a disminuir.

Sin embargo, veamos la siguiente gráfica donde por un lado tenemos la velocidad orbital galáctica esperada por los anteriores razonamientos y la que de verdad observamos:

La curva A (azul) es la velocidad que esperamos del análisis que hemos hecho en el texto de la entrada. Lo que se observa es la línea B (roja).

Sorpresa, Sorpresa

Lo que uno esperaría es la línea A.  Una subida de la velocidad por incremento de la masa en la galaxia cerca del centro y luego una caída en la misma por la reducción de masa observada.

Lo que nos dicen las galaxias es que eso no es correcto. Bien es cierto que aumentan cerca del centro pero cuando nos alejamos del mismo la velocidad no se reduce sino que permanece más o menos constante.

Y esto no es cosa de una galaxia o dos, esto lo verifican todas las galaxias observadas. Aquí una muestra de unas cuantas:

¿Por qué pasa esto?

Pues hay varias opciones:

a)  Que en realidad las galaxias tengan más materia de la que vemos y que su distribución hace que la velocidad orbital tenga ese comportamiento.

b)  Que la ley de la gravitación deje de ser válida en algún momento cuando la aplicamos a galaxias.

La primera opción nos lleva a aceptar que hay materia que no vemos directamente pero que ciertamente hay más de lo que vemos porque hay un efecto claro ahí.  Esto es lo que nos lleva a postular teóricamente y buscar experimentalmente eso llamado materia oscura.

La segunda opción nos lleva a pensar que quizás haya que modificar la ley de la gravedad en algún sentido. Ya sea modificando la ley de Newton cuando la aplicamos a cosas grandes en el universo, ya sea introduciendo modificaciones en la relatividad general para que expliquen este comportamiento.

A día de hoy no tenemos ni idea de que opción es la correcta, pero lo más razonable en mi opinión es la primera opción. Probablemente esté totalmente equivocado. Ya veremos que pasa…

En este blog ya discutimos sobre materia oscura:

Arrojando luz sobre la materia oscura I

Arrojando luz sobre la materia oscura II

Nos seguimos leyendo…

Anuncios

17 Respuestas a “Las galaxias giran raro…

  1. Hablar de materia oscura me da la sensación de estar hablando de Dios. Es decir, no hay forma alguna de detectarla, solo creen que está ahí porque hay algo en el movimiento de las galaxias que no cierra, lo cual no me parece algo muy “científico”. Pasa lo mismo con Dios, no hay forma de comprobar que existe, pero hay gente que cree fervientemente en él porque existe una biblia y porque le parece que realiza milagros, que las cosas que le piden mientras rezan se cumplen. En algún tiempo pasado la explicación a toda duda sobre la naturaleza era que “Dios lo había creado”. Para lo que no se entendía, la explicación era “Dios lo hizo”. En este caso parece que la materia oscura es la explicación a lo que no se entiende bien, a pesar de no estar seguros de su existencia. Sin dejar de lado el estudio sobre la materia oscura, por que está la posibilidad de que exista, me parece lógico también avanzar sobre el estudio de esos fenómenos inexplicables sin tener que recurrir a la materia oscura, es decir, buscar alternativas.

  2. Pingback: Fotógrafos del Universo | Cuentos Cuánticos

  3. Como aficionada y a raíz de los comentarios acabo de escuchar que no sólo la fuerza de gravedad quizá podría ser corregida y que quizá en el CERN nos depare alguna sorpresa en breve al respecto, sino que también varios investigadores trabajan sobre la sospecha de que la descripción matemática de la fuerza nuclear débil que mantiene unidas a las moléculas es ligeramente incorrecta y para corregir las fórmulas que describen a la fuerza nuclear débil se abriría un camino para demostrar, aunque sea matemáticamente, algunas de las teorías más extrañas y maravillosas de la física como la de las supercuerdas y se abre un camino para quizá demostrar que existen otros multiversos o cuando menos que la realidad es definitivamente muy diferente a lo que pensábamos.

  4. Hola,

    Me decanto por la alternativa b, puesto que mucho me temo que algo falla en la ley de la gravitación que actualmente se da como válida. Cada vez se discute más si la gravedad es realmente una fuerza, o una manifestación de la estructura espacio-temporal, o el resultado de interacciones entre el universo “conocido” y otro aún por entender/descubrir, etc…
    Sea como sea, y que conste que no tengo formación científica, me cuesta creer que la gravedad sea una fuerza tal como entendemos fuerza, y que además tenga alcance infinito, entre otras cosas.
    Quizás sea mas coherente partir de la base de replantear de nuevo la ley de la gravitación que buscar la explicación de “materias y energías oscuras”, aunque probablemente resolver una cosa(opción b) nos lleve sin darnos cuenta a entender la otra(opción a) ….

  5. Como aficionada y admiradora para mi el problema de rotación de las galaxias está en que es un conjunto de masa irregular por lo que ejerce una fuerza gravitatoria en el espacio -para mi el espacio no es la sabana en la que arrojamos una canica sino todo lo envolvente a la canica- y que necesariamente tiene que producir como suma de fuerzas un movimiento, con lo cual aprovecho para reinventar la cuarta dimensión del espacio: el tiempo. El tiempo como producto del conjunto de la ación gravitatoria que ejerce una masa irregular y que de lo contrario supongo eclosionará el sistema.

  6. Hombre … postular la existencia de una materia como la oscura que por el momento es indetectable abre la brecha de las dudas . Porque cual es el papel que representa ese algo que no veíamos en los fenómenos hasta ahora observados?

    • Bueno, la historia de la física moderna está llena de postulados de existencia que con el tiempo se ven confirmados o rechazados. La materia oscura es una más en la lista y lo que Cuentos Cuánticos explica en esta entrada son algunos motivos que llevan a esta proposición.

      Y como dices, por supuesto que ese “algo” deberá encajar con cada uno de los fenómenos observados. De lo contrario, algo hay mal.

  7. Muy buenas,

    Con el plasma me refiero a que el universo está formado en su gran mayor parte por nubes de gas cargado eléctricamente, y un ejemplo de estos plasmas cargados en tránsito por la galaxia son la eyecciones solares o las corrientes de Birkeland.

    Estos efectos se pueden reproducir a pequeña escala en la tierra, y desde luego se pueden medir en el espacio.

    Existe extensa literatura alternativa que desafía la teoría gravitocéntrica del universo, y estudia los efectos de las corrientes eléctricas que circulan por el universo. Parece una torpeza sencillamente ignorar la fuerza eléctrica cuando es órdenes de magnitud más potente que la gravitatoria y además, la fuerza entre dos líneas de corriente decae menos (proporcianalmente con la distancia) que la influencia gravitatoria (el cuadrado de la distancia).

    He llegado a la conclusión que es un dogma, una cuestión de ego de las instituciones que investigan estos asuntos, que no quieren considerar la posibilidad de un error por su parte, y recurren a explicaciones cada vez más retorcidas (como la materia oscura y otras) y “parches”, con tal de no considerar otras fuerzas, cuando hay fenómenos claramente estudiados y contrastados que explican de forma más clara y sencilla lo que se observa.

    No soy un experto en el tema, sólo un aficionado, así que os recomiendo al que tenga interés que lea sobre el tema en

    http://www.thunderbolts.info/wp/eg-contents/

    , en esta página y otras se trata de argumentar un modelo eléctrico del universo, y asociar fenómenos que se observan en el plasma como las dobles capas o los fenómenos de pinch a la evidencia medible que se observa.

    Un saludo, y que se anime el debate 😉

  8. Pensé en responderte vía twitter pero no quiero ser cansino. Dentro de mi línea perversa pensé en hacer paralelismos entre la materia oscura y los capitales evadidos que nadie ve e intertar detectar su presencia en las velocidades de crecimiento o decrecimiento en los distintos sectores económicos. Demasiado rebuscado… Me gusta el post y me descubre algo que no sabía. Solo una duda…¿los valores de la velocidad solo se sustentan por mediciones del efecto doppler? ¿Si es así no es demasiado inconsistente una hipótesis basada solo en el aporte de esas mediciones?
    Un saludo

    • Las galaxias emiten luz. Además sabemos que contienen entre otras cosas Hidrógeno en gran cantidad. Lo que se hace es medir la variación de una línea del espectro del hidrógeno y de ahí determinamos la velocidad. Creo que es una de las mediciones más robustas en astrofísica, no podemos dudar del efecto Doppler ni de sus implicaciones.

  9. Se puede medir por efecto Doppler.

  10. Como se calcula la velocidad a la que giran las galaxias? Se puede medir directamente o se calculan en función de otros valores?

    Muchas gracias

  11. Sí, hay más opciones, he puesto las que me parecen mejor fundamentadas conceptualmente. De todas formas todas las demás se pueden englobar en estas categorías generales más o menos.

    Como tu dices puede que haya otras interacciones, pero si eso es así entonces tenemos que explicar por qué no las sentimos aquí y por qué no la hemos detectado aún. En definitiva es como encontrar nueva materia…

    Lo del plasma no lo he entendido.

  12. Hola.

    Primero felicitarte por este excelente blog.

    Creo que existen más alternativas a la a) y a la b) que comentas. Tal vez sencillamente existen otras fuerzas en juego que no se contemplan, como la electromagnética.

    Es un interesante debate el por qué la “ciencia” se empeña en siquiera considerar éstas fuerzas en el universo, que se sabe está formado en un 99% por plasma cargado eléctricamente que se mueve respecto a otros plasmas y objetos celestes.

    Un saludo

    • Manga de newbies .al que dijo como nos van a sonrerpder? ya sabemos el final le digo Pedazo de incullto!!! esta es la explicacion de COMO se llego a ese final de COMO la galaxia quedo sumida bajo el poder del imperio COMO Anakin llega a ser Vader dios sos muy bruto flaco!!!. El que dijo La animacion parece medio muerta bue flaco estamos hablando de LucasFilm.lts (La compaf1ia mas grande y avanzada en materia de efectos especiales y animacion del mundo) junto con CN (la productora de mayor expansion de los ultimos af1os de mas decir responsables de la srie Clone Wars ) donde y como pensas encontrar una calidad de animacion como esa!?!?!? obviamente viste el trailer solo en tu compu (una commodore debe ser) y no en tv ni cine xq una vez que lo veas no creo que vuelvas a decir tal estupidez bueno sef1ores me retiro.MAY THE FORCE BE WITH YOU (con uds dos no -_-)

Responder

Introduce tus datos o haz clic en un icono para iniciar sesión:

Logo de WordPress.com

Estás comentando usando tu cuenta de WordPress.com. Cerrar sesión / Cambiar )

Imagen de Twitter

Estás comentando usando tu cuenta de Twitter. Cerrar sesión / Cambiar )

Foto de Facebook

Estás comentando usando tu cuenta de Facebook. Cerrar sesión / Cambiar )

Google+ photo

Estás comentando usando tu cuenta de Google+. Cerrar sesión / Cambiar )

Conectando a %s