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Hurgando en la historia de los componentes oscuros de nuestro universo nos encontramos con la carta del británico John Michell, quien escribe en 1783 al físico-químico Henry Cavendish estas palabras:

“Supongamos que las partículas de luz son atraídas de la misma manera que todos los demás cuerpos con los que estamos familiarizados, (…) de lo que no puede haber duda razonable siendo la gravedad, hasta donde sabemos o tenemos razones para creer, una ley universal de la naturaleza. Bajo esta suposición, si hubiese cualquier estrella cuya densidad fuese lo bastante grande, (…) toda luz emitida por ese cuerpo volvería hacia él por causa de su propia gravedad”.

Aparentemente, Michell fue el primero en proponer la existencia de objetos astronómicos oscuros que no emiten luz. Esta característica hace que su detección sea solo posible por los efectos gravitacionales manifestados en su entorno, que fue justo lo que propuso en 1844 el matemático y astrónomo alemán Friedrich Wilhelm Bessel.

En 1904 el físico y matemático británico William Thomson (más conocido como Lord Kelvin) había escrito que el movimiento de las estrellas de la Vía Láctea podía considerarse como un gas, por lo que un estudio cinemático de su velocidad revelaría la presencia de las “estrellas oscuras”.

El prestigioso científico francés y filósofo de la ciencia Henri Poincaré acuñó en 1906 el término matière obscure para referirse a las extrañas estrellas de las que hablaba Kelvin. El primer estudio cinemático de las estrellas cercanas al Sol con el objetivo de encontrar “estrellas oscuras” fue realizado en 1932 por el astrónomo holandés Jan Hendrik Oort, cuyo apellido da nombre a la hipotética nube de desechos que envuelve a nuestro sistema solar.

La materia oscura

En 1933 el astrónomo y físico suizo de origen búlgaro Fritz Zwicky se puso a estudiar el cúmulo de galaxias llamado Coma, donde obtuvo varias mediciones de velocidades radiales. La velocidad radial se puede entender como la velocidad a la que se acerca o se aleja un objeto visto desde la Tierra. Para determinar la velocidad radial se usa el espectro de luz del objeto: si se está alejando, las líneas de absorción se correrán hacia el rojo (corrimiento al rojo o red shift); en cambio, se correrán hacia el azul cuando el objeto se acerque.

Zwicky tomó los valores medidos, obtuvo la masa del cúmulo a partir de la velocidad radial de algunas galaxias y las comparó con la masa calculada a partir de las estrellas visibles del cúmulo. Sus cálculos mostraban que para que sean coherentes los valores de la velocidad radial y la masa observada, faltaba una enorme cantidad de materia. A esa materia perdida o masa no visible, Zwicky le dio el nombre en alemán de dunkle Materie o materia oscura en nuestro idioma.

La comunidad científica no le dio mucha importancia a los resultados de Fritz Zwicky, y tuvieron que transcurrir más de 30 años para que sus ideas de nuevo salgan a la luz.

La norteamericana Vera Cooper Rubin se licenció en astronomía a finales de los años 40. Su deseo era hacer la tesis doctoral en la prestigiosa Universidad de Princeton, pero dicha universidad no aceptaba mujeres. Finalmente, Rubin se doctoró por la Universidad de Georgetown, teniendo como director de tesis al famoso George Gamow.

A partir de 1960, Vera Rubin se volvió una experta en el estudio de rotación estelar en galaxias. En aquella época ya se había observado que las estrellas que giran en los bordes de las galaxias tenían una velocidad mucho mayor que la que les correspondía.

Kepler y Newton describieron como se mueven los objetos que están en órbita. En el caso del sistema solar, los planetas que están más próximos al Sol deben girar más rápido que los que están en las periferias. Lo mismo debería ocurrir con las estrellas que giran alrededor del centro de una galaxia. Las leyes de la física que conocemos nos dicen que a medida que una estrella orbite más lejos del centro galáctico, su velocidad de rotación debería ir cayendo, que es justo lo contrario a lo observado por Rubin.

Representación esquemática de la rotación del disco de las galaxias en el universo temprano (derecha) y en la actualidad (izquierda). (Wikimedia)

Ya en 1970, Rubin con un grupo de colaboradores y el astrónomo Kent Ford publicaron una serie de artículos donde mostraban los datos obtenidos sobre la rotación estelar en las galaxias. Había una fuerte evidencia de que la velocidad de las estrellas no decrece conforme estas se alejan del centro galáctico. Los gráficos de rotación daban cuenta de una gran cantidad de materia que no se podía observar y que formaba parte de las galaxias.

Tres años más tarde, los astrónomos J. P. Ostriker y P. J. E. Peebles (ambos de Princeton) publicaron un artículo donde demostraron que este halo de materia que no se podía ver era necesario para mantener estable la galaxia.

Tenemos entonces que a partir de la década de los 70 la materia oscura forma oficialmente una parte muy importante de nuestro universo. Fritz Zwicky estaba en lo correcto.

Características de la materia oscura

Aunque aún no tenemos evidencia física de la esquiva materia oscura, se supone que es eléctricamente neutra, no absorbe ni emite ondas electromagnéticas. Los investigadores dicen que es estable, ya que no se descompone en otros elementos, y tiene una vida media igual o más larga que la del universo. La materia oscura no es relativista, no se mueve a velocidades cercanas a la de la luz. Por lo tanto, se dice que es “fría“.

Estas características de la materia oscura son tan distintas a las de la materia bariónica (el tipo de materia que compone todo lo que conocemos) que hacen que su detección sea muy difícil. Varios equipos de científicos alrededor del mundo están llevando adelante experimentos para detectarla directamente, pero hasta el momento ninguno ha tenido éxito.

La energía oscura

Ya a finales del milenio pasado, grupos independientes de astrónomos llegaron a la conclusión de que el universo se estaba expandiendo a una velocidad acelerada. La idea que predominaba en aquel entonces entre los cosmólogos era que la inflación se tendría que ir frenando por efecto de la gravedad. El hallazgo fue uno de los más importantes de la astrofísica moderna, tanto así que sus descubridores recibieron el premio Nobel de Física en 2011.

Los investigadores estadounidenses Saúl Perlmutter, Brian P. Schmidt y Adam G. Riess recibieron el preciado galardón científico “por sus trabajos sobre la expansión acelerada del universo a través de observaciones de supernovas distantes”.

Los objetos de estudio de estos astrónomos fueron las supernovas de tipo 1a (“uno a”). El estallido de estas supernovas ocurre cuando una estrella enana blanca roba material de otra estrella compañera; la materia que cae hacia la enana blanca incrementa su masa hasta que las capas superiores que la componen se desploman sobre sí misma por efecto de la gravedad. Este hecho produce una gigantesca explosión. El brillo de la supernova es tal que se puede comparar a la luz que emite la galaxia entera a la cual pertenece.

Este tipo de explosiones tiene dos características muy importantes. La primera de ellas es que son visibles desde enormes distancias. La segunda es que prácticamente en todos los casos el brillo de las supernovas del tipo Ia es el mismo. Este brillo “estándar” se debe a que la explosión ocurre siempre cuando la enana blanca alcanza una masa tope denominada límite de Chandrasekhar. Usando estas “candelas estándar” de la astronomía se puede calcular, con un razonable margen de error, enormes distancias, ya que la luz disminuye de intensidad proporcionalmente al aumentar la distancia. Sabiendo la luminosidad de una supernova del tipo Ia cercana a nosotros, se puede saber qué tan lejos está una que estalla a miles de millones de años luz.

lado oscuro del universo
Imagen del telescopio Hubble de la supernova 1994D (el punto brillante en la esquina izquierda). (Wikimedia)

Los nóbeles del 2011 observaron varias supernovas a distintas distancias cosmológicas, luego relacionaron la magnitud (el brillo) y el corrimiento al rojo de sus espectros de luz. Concluyeron que la velocidad de recesión de las galaxias (que contienen a las supernovas) era menor en el pasado que en la actualidad. Las galaxias se estaban alejando unas de otras con velocidad creciente.

Para explicar el aumento de la velocidad de recesión de las galaxias, los cosmólogos introdujeron el concepto de energía oscura. Esta energía es un componente del universo que actúa de forma contraria a la gravedad y sería la responsable del incremento de la velocidad a la que se expande el universo.

Se piensa que esta energía impregna todo el espacio y que su densidad permanece constante a medida que el universo crece en tamaño. Lo contrario ocurre con la densidad de la materia, que disminuye al hacerse más grande el universo. De mantenerse esta condición, la expansión se acelerará conforme el tiempo pase y las galaxias estarán tan separadas unas de otras que llegado un momento ninguna de ellas podrá ser observable.

Los cálculos dan cuenta que hace unos 7 mil millones de años, cuando el universo tenía aproximadamente la mitad de la edad que tiene ahora, la energía oscura se impuso sobre los demás componentes de universo, teniendo esto como efecto la aceleración de la inflación cósmica. La energía oscura es el motor que hace que el espacio entre las galaxias se incremente día a día a un ritmo acelerado.

Conclusiones

La comunidad científica no sabe exactamente qué es la energía oscura. Podría ser energía de vacío o un nuevo tipo de interacción que no forma parte del modelo estándar y que algunos llaman Quintaescencia. También podría ser una mala interpretación de los datos que tenemos y no existen ni aceleración de la expansión cósmica ni energía oscura.

El caso de la materia oscura es prácticamente el mismo. Aún no se sabe qué es o de qué está compuesta esta esquiva forma de materia. Hay que darle tiempo al tiempo y esperar los resultados de nuevas investigaciones que puedan hacer una mejor descripción de estos componentes oscuros de nuestro universo.

Alrededor del mundo existen unos 30 experimentos cuyos detectores buscan señales positivas de las partículas de materia oscura, entre ellos están DAMA/LIBRA, CRESS T-II, XENON10/XENON100 y CDMS.

Paraguay participa también en la detección de materia oscura de baja masa en un experimento llamado DAMIC, a través de la Facultad de Ingeniería de la UNA (FIUNA). El director de dicho proyecto es el Dr. Jorge Molina Insfrán, docente investigador en el Laboratorio de Mecánica y Energía de la FIUNA.

Por otro lado, los proyectos BOSS, DES y PAU están trabajando para recolectar datos que nos ayuden a entender mejor la energía oscura. La Agencia Espacial Europea tiene pensado lanzar en 2020 el telescopio espacial EUCLID, el cual observará un tercio de la esfera celeste. Su objetivo es cartografiar la geometría del universo en un mapa tridimensional que revelará pistas sobre la energía oscura.

El modelo estándar de la física de partículas que explica mayormente cómo funciona el mundo conocido no incluye una descripción de la energía oscura ni de la materia oscura. Podríamos decir que estamos en un punto en el cual necesitamos el desarrollo de una nueva física, un nuevo conjunto de teorías que puedan describir de mejor manera ese 95 % del universo que no conocemos y que por ahora permanece oscuro.

El cosmos tiene la capacidad de crear en nosotros una profunda fascinación. Allá afuera hay todo un universo lleno de interrogantes que esperan respuestas de una inquieta mente como la tuya.

Estimado lector, la ciencia te está llamando.

 

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