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Física Avanzada 4

Rotación de una galaxia espiral. La materia oscura.

Las galaxias son los bloques básicos que forman el universo; son como los ladrillos que forman una casa. Y, al igual que los ladrillos están compuestos por partículas más pequeñas (granos de arena), las galaxias están formadas por estrellas. Nuestro Sol es una estrella más en nuestra galaxia, muy importante para nosotros porque está muy cerca y nos da luz y calor, pero nada más. Es una estrella como las demás de la Vía Láctea, que está formada por 200.000 millones de estrellas, el Sol entre ellas.

Las estrellas de una galaxia no están quietas; están en movimiento girando siempre alrededor del centro de la galaxia. Si estuvieran quietas, la atracción gravitatoria haría que inmediatamente cayeran hacia el centro de la galaxia: es lo mismo que les pasaría a la Tierra y a los demás planetas si dejaran de girar en torno al Sol, caerían hacia el Sol.

Lo que nos preguntamos en concreto es ¿cómo giran las estrellas de una galaxia? La respuesta es muy fácil: usando las leyes de Newton, exactamente igual que las usamos para estudiar el movimiento de los planetas alrededor del Sol, deducimos que deben girar en órbitas circulares o elípticas alrededor del centro de masas (el centro galáctico). Las estrellas más lejanas irán más despacio (tardarán mucho tiempo en dar una vuelta completa a la galaxia); las más cercanas, más rápido. El Sol, que es una estrella ni muy cercana al centro galáctico ni muy alejada (está, aproximadamente, a 2/3 de radio galáctico, hacia afuera) emplea unos 250 millones de años en completar una vuelta. Pero estos números no son lo importante ahora. Lo importante es que podemos calcular con mucha exactitud los movimientos de las estrellas en cualquier galaxia usando las leyes de Newton (en realidad ni siquiera son necesarias las correcciones relativistas de Einstein, ya que las velocidades estelares, pocos cientos de km/s, son mucho menores que la velocidad de la luz; Newton es, a todos los efectos, exacto aquí).

La rotación de las galaxias se observó por primera vez en 1914, y desde entonces se ha medido con gran precisión en muchas galaxias, no sólo en la Vía Láctea. La gran sorpresa surgió cuando, en 1975, se pudo medir la velocidad de giro de las estrellas que ocupan posiciones muy alejadas del centro: esas estrellas van muchísimo más rápido que lo que les correspondería por las leyes de Newton (es como si los planetas más alejados, por ejemplo Neptuno y Plutón, orbitaran mucho más deprisa de lo que calculamos con las leyes de Newton). El hecho es que esto ocurre no en una, sino en muchas galaxias donde hemos podido medir su rotación: las partes externas de las galaxias giran mucho más deprisa que lo que esperamos. ¿Por qué ocurre eso? No se sabe.

Desde hace treinta años, los astrofísicos se enfrentan a este dilema: o bien las galaxias tienen mucha materia que no vemos, pero que causa una fuerte atracción gravitatoria sobre las estrellas externas (que por ello orbitarían tan rápido) o bien ni la ley de la gravedad de Newton ni la de Einstein serían válidas para esas regiones externas de las galaxias. Las dos opciones son revolucionarias para la física: la primera implica la existencia de materia oscura en el universo (materia que no vemos pero que sí afecta al movimiento de las estrellas y galaxias), y la segunda implica que una ley básica (la de Newton/Einstein de la gravitación) es incorrecta. En el momento actual, no sabemos cúal de esas dos opciones es la buena (podrían incluso ser buenas las dos, es decir, que existiera materia oscura y además que la teoría de Newton/Einstein estuviera mal, pero mejor ni pensar en eso). La gran mayoría de los astrofísicos prefieren explicarlo con la materia oscura antes que dudar de las leyes de la gravitación de Newton/Einstein. Esto no es sólo cuestión de gustos, es que las leyes de la gravitación funcionan con una increíble exactitud en todos los demás casos donde las hemos puesto a prueba (en los laboratorios, en las naves espaciales y los vuelos interplanetarios, en la dinámica del Sistema Solar, etc.).

Este problema de la materia oscura (si es que realmente existe y no es que las leyes de Newton sean incompletas) es uno de los más importantes con los que se enfrenta la astrofísica hoy en día.