DIVULGACION CIENTIFICA DE CIENTIFICOS: octubre 2017

lunes, 30 de octubre de 2017

Materia Oscura - Alberto Casas

31 de Octubre

Día Internacional

de la Materia Oscura.

Reseña Francis Naukas

Materia Oscura - Planetario de Madrid

31 de Octubre

Día Internacional

de la Materia Oscura.

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Materia Oscura - Miguel Peiró

31 de Octubre

Día Internacional

de la Materia Oscura

(y además San Quintín)

Capítulo 53 (CIENCIA, y además lo entiendo!!!)

A la caza de la materia oscura: viendo lo invisible

(Por Miguel Peiró)

Como hemos visto en el capítulo anterior nuestro Universo posee una complejidad que va mucho más allá de aquella presente en astros tales como estrellas o planetas, o de las mismas galaxias que los albergan. Una cantidad nada desdeñable de materia oscura lo impregna todo, está presente en los vastos espacios que existen entre cúmulos de galaxias, pero también está cruzando en este mismo momento su habitación, y a usted mismo, a una velocidad de unos cientos de kilómetros por segundo.

La certeza acerca de la existencia de este nuevo tipo de materia exótica es incontestable. A día de hoy se tienen numerosas observaciones que apuntan en una misma dirección: aproximadamente el 85% de la materia total del Universo se encuentra en forma de materia oscura, mientras que el 15% restante estaría compuesto de materia ordinaria (bariónica) o lo que es lo mismo, la materia que hasta ahora conocíamos, aquella compuesta de protones, neutrones y electrones. Sí, todo lo que le rodea, todo lo que se puede observar en el cielo en una noche estrellada, todas las galaxias, planetas y estrellas, no son más que una parte pequeña de todo lo que ahí fuera nos aguarda.

Sin embargo, las numerosas observaciones que prueban la existencia de la materia oscura solo prueban que ésta interacciona gravitacionalmente con la materia ordinaria. Es decir, de la misma forma que el Sol y la Tierra sienten una atracción gravitatoria mutua, la materia oscura siente esa atracción hacia la materia ordinaria, y viceversa. Pero la gravedad es solo una de las cuatro fuerzas fundamentales que conocemos en la Naturaleza. En lo relativo a las otras tres, el electromagnetismo, la fuerza nuclear fuerte, y la fuerza nuclear débil, no se tiene constancia a día de hoy de que la materia oscura pueda interaccionar con la materia ordinaria a través de estas fuerzas. Es más, muy posiblemente la materia oscura no posea las propiedades necesarias para que pueda interactuar ni electromagnéticamente ni a través de la fuerza nuclear fuerte con la materia bariónica. Este exótico nuevo tipo de materia fue denominada oscura, aunque un término más acertado hubiera sido transparente, ya que no emite ni absorbe luz, que es precisamente una consecuencia de su nula (o realmente pequeña) interacción electromagnética.

Pero, ¿cómo es posible entonces observar la materia oscura? Su observación directa o indirecta es fundamental a la hora de desentrañar uno de los mayores misterios de la física moderna: la naturaleza de su composición. Pues bien, actualmente se cree que sí sería posible observarla directa e indirectamente, e incluso hasta sería plausible crearla aquí en nuestro planeta. Y es que si hay algo que sabemos con certeza, y que ya hemos mencionado anteriormente, es que la cantidad de materia oscura es mucho mayor que la cantidad de materia ordinaria y que por lo tanto, debió de existir algún mecanismo en los orígenes del Universo que crease tal cantidad de materia oscura. Esta es una pieza clave a la hora de entender este puzzle.

Cuando un físico se sienta en su mesa, delante de un papel, dispuesto a revolucionar el mundo de la física con una nueva teoría que dé cuenta de la materia oscura de nuestro Universo, lo primero en lo que ha de reparar es en cómo crear esa enorme cantidad de materia que observamos. A día de hoy conocemos muchos mecanismos que explicarían estas observaciones, pero lo más importante es que en la mayoría de ellos el punto diferencial es el grado de interacción que se le supone a la materia oscura con la materia ordinaria. Y es que aunque al lector le pueda parecer extraño, a través de las interacciones entre ambos tipos de materia se puede calcular muy precisamente cuanta materia oscura habría en el Universo que poco a poco se va creando en nuestro papel. ¡Qué curioso!, resulta que si la materia oscura interacciona débilmente, y recalcamos que solo débilmente, con la materia ordinaria (con la intensidad correspondiente a la fuerza nuclear débil) la cantidad de materia oscura en nuestro Universo se correspondería a aquella que se ha inferido observacionalmente, ese 85% que previamente mencionábamos. Esto parece más que una coincidencia, es lo que se vino a llamar el milagro de los WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), ya que este tipo de partículas hipotéticas seguirían estas pautas. Pero las consecuencias de esto no se limitan a la cantidad de materia oscura. Si esto realmente fuera así, y la materia oscura estuviera compuesta por WIMPs, significaría que existen otras formas de verla, y esto es demasiado grande e importante para que pase desapercibido.

53.1 Detección directa.

Podemos ahora formularnos la siguiente pregunta: si para que se formara tanta materia oscura en el Universo ésta ha de interactuar débilmente con la materia ordinaria, y teniendo en cuenta que la materia oscura atraviesa la Tierra en enormes cantidades, ¿es razonable tratar de detectar esa interacción aquí en nuestro planeta? La respuesta a esta pregunta es sí. Esto ha motivado un programa experimental mundial para la detección de la materia oscura sin precedentes.

Esta técnica para la detección de la materia oscura se basa en la posibilidad de que una partícula de materia oscura choque contra un núcleo atómico, contra alguno de los protones o neutrones que lo compone. Como bolas de billar, tras el choque, el núcleo experimentará un retroceso y posteriormente liberará energía en diferentes formas. Es esta energía la que se trata de medir con tanto ahínco, y que a día de hoy no se ha conseguido.

La probabilidad de que una partícula de materia oscura choque, o lo que es lo mismo, interaccione con un núcleo de un detector es tremendamente pequeña. Es por esta razón que los experimentos de detección directa están compuestos de ingentes cantidades de un material, como Germanio o Xenon, que se deja durante largos periodos de tiempo a la caza de una de estas interacciones. Estas dos variables, la cantidad de material y el tiempo de escucha, resultan en lo que se denomina exposición. Cuanto mayor sea la exposición de un experimento dado, mayor es la probabilidad de que una partícula de materia oscura choque contra uno de los núcleos del detector, lo que hace que este tipo de experimentos traten incesantemente de aumentar las cantidades del material que lo compone. Sin embargo, no todo es tan fácil como puede parecer. La lluvia de partículas que recibe la Tierra no está ni mucho menos solo compuesta de materia oscura, existen muchos otros tipos de partículas que también nos bombardean, y concretamente en este tipo de experimentos son de especial importancia lo que se conocen como los rayos cósmicos.

Los rayos cósmicos son radiación de muy alta energía proveniente en su mayoría de procesos astrofísicos fuera del sistema solar, como supernovas o quasares. Cuando alcanzan la atmósfera terrestre chocan contra moléculas que la componen produciendo en este proceso una lluvia de numerosas partículas como piones, neutrinos o muones, conocidos como rayos cósmicos secundarios. En su camino, estas partículas pueden chocar contra uno de nuestros detectores de materia oscura produciendo una señal similar a la que produce la materia oscura. Para aislarse de este tipo de choques, los experimentos de materia oscura se sitúan a grandes profundidades bajo tierra, usando así el propio suelo como escudo ante este tipo de intrusos. Antiguas minas o montañas son el lugar habitual en el que podemos encontrar grandes experimentos de detección directa de materia oscura como LUX o SuperCDMS.

Como ya hemos mencionado anteriormente, hasta ahora no se han encontrado señales en detección directa que con toda seguridad hayan sido producidas por materia oscura. Lejos de producir un declive en el interés de la comunidad científica, esto ha servido para seguir aunando fuerzas en esta desconcertante caza. No obstante, la nula detección de materia oscura hasta ahora ha servido para entender que muchos modelos que se tenían no podrían ahora explicar este problema. Es decir, si tenemos un modelo que predice un determinado grado de interacción entre la materia oscura y los núcleos atómicos tal que la materia oscura debería haberse visto ya en un determinado experimento de detección directa, este modelo quedará automáticamente descartado, ya que como decíamos, aún no se ha observado nada.

53.2 Detección indirecta.

La detección directa, que acabamos de ver, no es la única manera que conocemos para probar las interacciones no gravitacionales de la materia oscura con la materia ordinaria. La detección indirecta de materia oscura es una técnica basada en las mismas hipótesis que anteriormente describíamos, pero que a diferencia de la detección directa, trata ver esas interacciones en lo que se conocen como halos de materia oscura. Se llama halo de materia oscura a toda esta materia que envuelve al disco de materia visible en las galaxias, como la nuestra, la Vía Láctea, y que se extiende mucho más allá de los límites visibles de ésta. Es decir, es toda la materia oscura que baña las galaxias, desde los centros de éstas hasta zonas muy externas que a priori no eran siquiera consideradas como partes de la propia galaxia. Tanta es la cantidad de materia oscura que existe en los halos, que la mayor parte de la masa total de una galaxia proviene de esta componente, e incluso se sabe que existen galaxias en las que la cantidad de materia oscura supera por muchísimo la cantidad de materia ordinaria, como es el caso de las galaxias enanas esferoidales (dSph, del inglés dwarf spheroidal galaxies). En galaxias como la nuestra, la densidad de materia oscura del halo crece de forma drástica a medida que nos acercamos al centro de esta, existiendo en esa región enormes densidades de materia oscura rotando alrededor del agujero negro supermasivo que allí se encuentra.

Por mágico que pueda parecer, hoy en día sabemos que, a nivel microscópico, el mismo proceso que genera el choque entre la materia oscura y la materia ordinaria (aquél que nos servía como motivación de los experimentos de detección directa) sería responsable de lo que se conoce como la aniquilación de la materia oscura. Cuando dos partículas de materia oscura se encuentran, existe una cierta probabilidad distinta de cero de que éstas se fundan dando lugar a un par partícula-antipartícula de materia ordinaria, como por ejemplo, un par electrón-positrón o un quark-antiquark. Pues bien, estas partículas son las que se tratan de detectar mediante la técnica de la detección indirecta. En la mayoría de los casos, las partículas creadas no son estables, y acaban por decaer en otras partículas que si lo son, y por increíble que nos resulte, entre éstas hay fotones, partículas de luz. Entonces al fin y al cabo, la materia oscura sí genera luz, mediante su aniquilación. Pero la probabilidad de que esto suceda es relativamente pequeña y esto hace que, desgraciadamente, la materia oscura no sea una fuente lumínica que pueda ser comparada con la mayoría de procesos astrofísicos que ocurren en una galaxia, lo que dificulta mucho la tarea de su detección mediante esta técnica. Sin embargo, buscar estas aniquilaciones en zonas donde la densidad de materia oscura es grande, como el centro de la Vía Láctea, o dónde prácticamente toda la luz generada pueda venir de la materia oscura, como en las dSph, ayuda a maximizar las posibilidades de un descubrimiento.

A pesar de esta dificultad existen numerosos experimentos que han aceptado este magnífico reto. Satélites como Fermi-LAT están tratando de cazar estos fotones provenientes de las aniquilaciones de materia oscura, y otros como AMS tratan de detectar la antimateria producida (positrones por ejemplo). Los detectores de neutrinos también están al tanto de la posibilidad de detectar una fuente de neutrinos provenientes de estas aniquilaciones (los neutrinos, como otras partículas que ya hemos mencionado, se pueden producir en el choque de dos partículas de materia oscura), y redes de telescopios como CTA buscarán los rayos cósmicos producidos en la atmósfera cuando partículas generadas por las aniquilaciones la crucen. En definitiva, el campo de la detección indirecta es, actualmente, un campo de mucha actividad. Desgraciadamente, no existen aún indicios de una detección clara de la materia oscura en este campo. Pero como en el caso de la detección directa, esto también nos da información muy valiosa acerca de la naturaleza de esta exótica forma de materia.

53.3 LHC.

Quizá llegados a este punto alguien haya pensado lo siguiente: si al encontrarse dos partículas de materia oscura generan, por ejemplo, un par quark-antiquark, ¿no puede ocurrir el proceso inverso?, es decir, que un par quark-antiquark dé lugar a un par de partículas de materia oscura. Esto sería algo así como crear materia oscura a partir de materia ordinaria, y la respuesta es un sí rotundo. Además, para que esto ocurra, no hace falta irse tan lejos como el centro de la galaxia, esto podría estar sucediendo muy cerca de nosotros en los aceleradores de partículas.

Los aceleradores de partículas son máquinas que mediante el uso de campos electromagnéticos aceleran partículas a velocidades cercanas a la de la luz. En el LHC (Large Hadron Collider), el acelerador más grande y potente jamás construido, se aceleran dos protones en direcciones opuestas para más tarde hacerlos colisionar. En el momento de la colisión se generan infinidad de partículas, pero lo más interesante en el contexto de las búsquedas de materia oscura es que se crean pares quark-antiquark que podrían dar lugar a la creación de materia oscura.

En este caso el proceso de aniquilación ocurre en la materia ordinaria y el producto de ésta es materia oscura. Pero como ya sabemos, aunque la materia oscura interaccione con la materia ordinaria, la intensidad de esta interacción ha de ser muy pequeña, es decir, que no solo será poco probable crearla a través de aniquilaciones sino que además cuando esto ocurra, la materia oscura saldrá disparada sin que haya ninguna posibilidad de detectarla. Sin embargo, las leyes de la física están de nuestro lado. Sabemos que la energía se conserva, esto es, toda la energía que lleven los dos protones que chocan (una cantidad fácilmente calculable) ha de ser la misma que toda la energía que se exista tras la colisión. Esto significa que cuando se cree materia oscura y escape a nuestra detección (en este caso el proceso sería exactamente el mismo a la detección directa) lo que vamos a ver es un balance negativo entre la energía inicial y la energía final. Es decir, la materia oscura se detecta por la energía que se lleva.

Tampoco a día de hoy se ha detectado la presencia de materia oscura en el LHC. Pero, de nuevo, esto ha servido para descartar algunas posibilidades y diseñar nuevas estrategias para la detección de materia oscura en aceleradores de partículas.

53.4 Conclusiones.

La naturaleza de la materia oscura ha supuesto uno de los mayores retos de la física moderna. A pesar de estar presente en enormes cantidades en el Universo, y de atravesar la Tierra incesantemente, aún a día de hoy y tras cuatro décadas de investigación, no sabemos de qué está compuesta. Como en un juego casi maquiavélico la naturaleza nos enseña una pequeña parte de su vasta y maravillosa complejidad, pero se guarda bajo llave el resto.

Hemos visto que la tarea de detectar la materia oscura es realmente complicada y está llena de interrogantes. Aún con todo esto, el ser humano ha sido capaz de diseñar potenciales estrategias de detección que nos doten de ojos para ver el lado oscuro del Universo. No hemos sido capaces aún de dar con la tecla, pero el programa experimental en este sentido no hace más que crecer, y lo que es quizá más importante, la comunidad científica no para de aprender e investigar para dar respuesta a todos estos interrogantes.

Es posible que haya que esperar aún muchos años hasta que se detecte la materia oscura, o es posible que se detecte mañana mismo, quién sabe. Lo que es seguro es que su detección supondrá un hito sin precedentes en la historia de la Ciencia y de la Humanidad.

Miguel Peiró

Doctor en Física Teórica

Doctor Contratado, Universidad Autónoma de Madrid

Imagen compuesta del cúmulo de galaxias CL0024+17 tomada por el telescopio espacial Hubble que muestra la creación de un efecto de lente gravitacional. Se supone que este efecto se debe, en gran parte, a la interacción gravitatoria con la materia oscura.

NASA, ESA, M.J. Jee and H. Ford (Johns Hopkins University)

Materia Oscura - Christine Allen y Xavier Hernández

31 de Octubre

Día Internacional

de la Materia Oscura

(y además San Quintín)

Capítulo 54 (CIENCIA, y además lo entiendo!!!)

¿Existe realmente la materia oscura?

(Por Xavier Hernández y Christine Allen)

El estudio científico de la gravedad comenzó a finales del siglo XVI con los trabajos de Galileo Galilei, quien dedicó largas horas a observar detenidamente el movimiento de objetos bajo el efecto de esta fuerza. Una de sus observaciones más relevantes, fue la que estableció que "un kilo de plumas cae igual de rápido que un kilo de plomo" Para decirlo en otras palabras, se dio cuenta, dejando caer objetos de distintos materiales por pequeñas rampas de madera y soltándolos desde la Torre de Pisa, que el material del que un objeto está hecho no afecta su movimiento bajo los efectos de la gravedad. Galileo identificó correctamente que es la fricción con el aire lo que ocasiona que una pluma caiga más lentamente que una piedra sobre la superficie de la Tierra. Posteriormente se verificó esta observación mediante experimentos con tubos al vacío.

Hacia finales del siglo XVII, Isaac Newton sistematizó y extendió los trabajos de Galileo, para llegar a una descripción bastante exacta de cómo opera la gravedad dentro del Sistema Solar. Newton propuso una "Ley Universal" según la cual la fuerza entre cualquier par de objetos es proporcional al producto de las masas de éstos, e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa. Es interesante ver que para Newton, el sentido de la universalidad de esta ley se debía a que era válida para todos los objetos del universo, pero no necesariamente a que mantuviera una forma única en todos los ambientes. De hecho, en ausencia de una deducción lógica, exploró varias formas para esta ley, y se quedó con la dependencia conocida, dado que era la que explicaba bien los movimientos medidos en la Tierra y en todo el Sistema Solar entonces conocido. De esta manera, la gravitación de Newton es un ajuste matemático a una serie de observaciones empíricas. Uno de los más notables logros de esta teoría fue la predicción del regreso del cometa que hoy llamamos de Halley. Antes, la aparición de los cometas se consideraba una anomalía a las regularidades del Sistema Solar. Lo variado de la apariencia de los cometas en pasos sucesivos cerca del Sol, su gran número y sus órbitas de períodos largos no permitieron identificar su regularidad, hasta que ésta se dedujo como una consecuencia de la gravedad de Newton.

Durante el siglo XVIII se exploraron los detalles de la teoría de Newton, notablemente por Laplace y Lagrange, y se llegó a construir un "Universo de relojería", donde el termino "Universo" se usaba para referirse al Sistema Solar. Todos los cuerpos del Sistema Solar se movían en trayectorias precisas según las expectativas de la teoría de Newton. Hacia mediados del siglo XIX se detectó una interesante anomalía a la regla: el planeta Urano parecía a veces retrasarse ligeramente en su órbita, y luego adelantarse. Suponiendo la validez rigurosa de la teoría de Newton, Adams y LeVerrier, independientemente, llegaron a la conclusión de que esta anomalía se debía a la presencia de un planeta extra, que se movía en una órbita externa a Urano. La teoría de Newton predecía entonces la posición de este nuevo objeto, que efectivamente se encontró justo donde tenía que estar: se había descubierto un nuevo planeta, Neptuno, en 1846.

Posteriormente, hacia finales del siglo XIX, se puso de manifiesto otra anomalía gravitacional. Esta vez, el planeta más interno conocido se comportaba de manera extraña. La órbita de Mercurio no se cerraba, sino que, lentamente, el perihelio de su órbita avanzaba, órbita tras órbita. Parte de este efecto se podía entender mediante la gravedad newtoniana, si se incluía cierto achatamiento del Sol y las perturbaciones de los planetas conocidos, pero no era suficiente para explicar el avance del perihelio observado. Se propuso entonces la existencia de un nuevo planeta interno a Mercurio, Vulcano. Aunque su observación fue reportada varias veces, este planeta de hecho no existe. No fue sino hasta principios del siglo XX que se entendió el corrimiento del perihelio de Mercurio, no como debido a la presencia de una masa no observada, sino como una indicación de que la teoría Newtoniana no era una explicación perfecta de la gravedad. Fue con la teoría de la relatividad general de Einstein que se explicó la anomalía de la órbita de Mercurio, en términos de un sistema que se encuentra fuera de la región de validez de la teoría dominante, la gravedad de Newton. Así, se hizo evidente la necesidad de extender el marco teórico de la física de esa época. En la relatividad general, los movimientos no rectilíneos de objetos bajo el efecto de la gravedad no se deben a una fuerza de atracción, sino a la curvatura que en el espacio ocasiona (cambios en la medida de intervalos espaciales y temporales que varían con la posición). Por ende, según la observación de Galileo, todos los cuerpos se mueven de la misma manera sin importar su composición, ya que se están moviendo en el mismo espacio curvado.

De esta manera, vemos que anomalías gravitacionales, a veces, han llevado a el descubrimiento de materia “oscura" previamente no identificada (como en el caso de Neptuno), y a veces, han revelado que las teorías existentes son solo aproximaciones válidas en un intervalo limitado de parámetros físicos (como en el caso del corrimiento del perihelio de Mercurio).

Durante el siglo XX, el intervalo de distancias a las que se estudian los sistemas astronómicos creció enormemente. Desde mediados del siglo XIX se sabía que el Sistema Solar medía solo una fracción ínfima de lo que mide nuestra galaxia, y en los años de 1920 se estableció que las "nebulosas espirales" eran de hecho "universos islas", para usar los términos de la época, esto es, galaxias externas parecidas a la nuestra, pero a distancias decenas, centenares y miles de veces mayores que el tamaño de nuestra Vía Láctea. Para entonces, se tenían ya dos formas independientes de estimar la masa de un sistema astronómico: midiendo cuánta luz emite, y estudiando su dinámica. Dado que el Sol es una estrella más o menos promedio, si vemos que un pedazo de galaxia emite 1000 veces más luz que el Sol, en primera aproximación pesará 1000 veces más que éste. Por otro lado, asumiendo la validez de la relatividad general (o equivalentemente para velocidades mucho menores que la de la luz, la teoría de Newton), si observamos los tamaños y las velocidades típicas de un sistema astronómico, podemos deducir cuánta masa es necesaria para mantener al sistema unido y estable. Por lo general, a escalas sub-galácticas, (por ejemplo, para los cúmulos de estrellas) ambas determinaciones coinciden dentro de sus errores, y todo cuadra.

Sin embargo, al considerar sistemas cada vez más grandes, la situación cambia. Ya en los años 1930, Fritz Zwicky obtuvo un resultado sorprendente: la dinámica de enormes cúmulos de galaxias implicaba, según la relatividad general, que estos contenían unas 20 veces más masa de la que se veía en las galaxias que pertenecían al cúmulo. Zwicky propuso la hipótesis de la materia oscura, que para él representaba materia normal que no brillaba, y que podía ser gas muy caliente, polvo, planetas, etc. De hecho, durante décadas, la búsqueda de la materia oscura fue una de las principales motivaciones para ampliar el espectro electromagnético estudiado por los astrónomos. Si la materia no brillaba en el óptico, el angosto intervalo de radiación al que Zwicky tenia acceso, seguramente se detectaría en radiofrecuencias, en las microondas, en el infrarrojo, en los rayos X, o en algún otro intervalo espectral.

Hacia los años 1970, los estudios dinámicos en galaxias espirales hechos por Vera Rubin y los radioastrónomos holandeses revelaron que estas galaxias tenían más o menos el mismo faltante de masa que el inferido por Zwicky para los cúmulos de galaxias, bajo la suposición de que la anomalía gravitacional detectada se debía a un faltante de masa, una hipótesis “ad hoc” para forzar la concordancia entre las observaciones y la mecánica de Newton. Hay que recordar que Mercurio se encuentra a una distancia del Sol apenas diez veces menor que la Tierra, mientras que la dinámica de galaxias y cúmulos de galaxias ocurre a escalas miles de millones de veces mayores que el tamaño total del Sistema Solar.

Durante los años 1980 y 90, al estudiar la dinámica de la expansión del Universo, se llegó a la conclusión de que a las escalas más grandes observadas también se tenía una fuerte disparidad entre la cantidad de materia observada y la requerida por la teoría de la gravedad de Einstein para explicar las observaciones. Se cimentó la idea de que este faltante de masa (de masa capaz de emitir luz) era real, e incluso, se empezó a presentar como un hecho científicamente comprobado. ¡Solo faltaba detectar este componente directamente!

Ya para esa época, había estudios que abarcaban todo el espectro electromagnético (muchas de ellos desde satélites) y que habían dejado en claro que la "materia oscura" no brillaba en ninguna longitud de onda. Durante algún tiempo, los neutrinos (partículas subatómicas con una bajísima probabilidad de interacción con los átomos) fueron el candidato favorito para la "materia oscura". Para empezar, ¡tienen la gran virtud de que existen! Poco a poco, las mediciones directas de la masa de los neutrinos dejaron en claro que éstos no podían ser más que una fracción mínima de la materia oscura, y se pasó entonces a considerar partículas hipotéticas predichas por modelos de supersimetría en física nuclear. La detección de estas partículas se ha anunciado espectacularmente de tanto en tanto, pero estudios subsecuentes han acabado siempre por descartar los múltiples anuncios. Estos resultados negativos ya no han recibido la correspondiente publicidad.

Durante los últimos 30 años se han invertido muchísimos millones y muchísimos esfuerzos en buscar directamente a estas partículas, miles de las cuales tendrían que estar cruzando cada centímetro cuadrado del área de la Tierra cada segundo, y que constituirían así cerca del 90% de la masa en el Universo. Gradualmente, ha sido forzoso descartar a los candidatos más plausibles, lo que ha llevado a propuestas cada vez más exóticas, en especial ahora, después de que en el verano de 2016 experimentos en el LHC en CERN descartaron cualquier partícula viable dentro de los modelos de supersimetría estándar.

De esta manera, estamos ante una situación en la que el agente causal determinante de nuestra teoría de gravitación se postula como un elemento que nunca nadie ha visto, situación que recuerda el caso del éter de finales del siglo XIX. Lo anterior ha generado un interés creciente en las teorías de gravitación modificada, en las cuales se propone un estudio más empírico del problema, tratando de inferir el carácter de la gravedad a escalas astronómicas, muchos órdenes de magnitud mayores que las escalas accesibles a experimentos directos, y partiendo de la condición de explicar la dinámica observada usando solo la materia detectada.

No existe todavía una teoría de gravedad modificada única o final, refinada y determinada, al nivel de la gravedad de Einstein. Pero ya contamos con una serie de primeras aproximaciones, relaciones de escala y reglas empíricas que están orientando este desarrollo. Mediante ellas, se ha explorado un número cada vez mayor de sistemas dinámicos cuya explicación tradicional requiere de la presencia de materia oscura. Se encuentra de manera consistente, que las predicciones de la gravedad modificada (en su forma empírica actual) se confirman. Siempre que un sistema dinámico se encuentre en un régimen de aceleración unas mil millones de veces menor que la aceleración gravitacional sobre la Tierra (y solo en esos casos), se presentan las anomalías gravitacionales que según la gravedad estándar se identifican como evidencia indirecta de materia oscura.

La gravedad modificada ha probado, en los sistemas a los que ha sido aplicada, que la existencia de materia oscura es innecesaria. Si bien aún se encuentran en su infancia, las teorías de gravedad modificada permiten ya vislumbrar la posibilidad de que la búsqueda de las exóticas partículas responsables de cerca de 90% de la masa del universo sufra la misma suerte que la búsqueda del éter en el siglo XIX.

Christine Allen Armiño Xavier Hernández Döring

Doctores en Astrofísica

Investigadores

Instituto de Astronomía, Universidad Nacional Autónoma de México

NASA, ESA, M.J. Jee and H. Ford (Johns Hopkins University)

Materia Oscura - Juan Garcia-Bellido

31 de Octubre

Día Internacional

de la Materia Oscura

(y además San Quintín)

Capítulo 52 (CIENCIA, y además lo entiendo!!!)

¿Qué se entiende por materia oscura y energía oscura?

(Por Juan García-Bellido Capdevila)

La naturaleza de la materia y energía oscuras es uno de los mayores misterios de la cosmología moderna. Gracias a la espectacular revolución en las observaciones astronómicas desde hace dos décadas, creemos que conocemos bastante bien el origen y la evolución del universo desde las primeras fracciones de segundo hasta los trece mil ochocientos millones de años del universo actual, así como el contenido de materia ordinaria en forma de galaxias, cúmulos y supercúmulos de galaxias, cuya luz nos llega desde los confines del universo observable. Sin embargo, aún desconocemos de qué está hecho más del 95% de todo el universo, esto es, la materia y la energía oscuras. Lo primero que debemos aclarar es que se trata de dos componentes muy distintas. A pesar de la famosa fórmula de Einstein, no debemos confundir materia oscura con energía oscura. La primera atrae y la segunda repele gravitacionalmente.

52.1 Materia Oscura.

Uno de los problemas más acuciantes y aún sin resolver de la cosmología moderna es el hecho de que el 85% de toda la materia en el Universo esté en la forma de una componente no luminosa, la llamada materia oscura. Propuesta por primera vez en 1933 por Fritz Zwicky para explicar el movimiento de las galaxias alrededor de los cúmulos, su naturaleza ha desconcertado a los astrónomos desde entonces. Hoy en día, tenemos amplia evidencia de la existencia de la materia oscura, procedente de varias observaciones astronómicas, como las curvas de rotación de las galaxias, en las que hace falta más materia que la luminosa para dar cuenta de las velocidades observadas de las estrellas y el gas en dichas galaxias. Una componente importante de materia oscura también es necesaria en la formación de galaxias, para explicar cómo las estructuras a gran escala en el Universo (galaxias, cúmulos y supercúmulos) se originaron a partir del colapso gravitacional de pequeños grumos de gas. Tenemos un conocimiento preciso de la distribución espacial de estos grumos a través de la huella que dejaron en las pequeñas fluctuaciones de temperatura medidas en el fondo cósmico de microondas.

También necesitamos la materia oscura para explicar las desviaciones gravitacionales observadas en la luz procedente de fuentes luminosas distantes detrás de las galaxias y los cúmulos, un fenómeno conocido como lente gravitacional. Todas estas observaciones muestran que la materia oscura interactúa gravitacionalmente con la materia ordinaria, pero no da ninguna pista acerca de que, en realidad, está hecha, y si tiene otras interacciones. Muchas hipótesis diferentes se han formulado sobre la naturaleza de la materia oscura y sus interacciones, con más de noventa órdenes en magnitud en el rango de masa de sus posibles componentes, desde los axiones ultraligeros a los agujeros negros masivos.

La hipótesis mejor explorada considera que la materia oscura está hecha de nuevas partículas masivas de interacción débil (WIMPs por sus siglas en inglés), que se predicen en ciertas extensiones del Modelo Estándar de la física de partículas. Hasta la fecha no hay ninguna evidencia de su existencia, proveniente de búsquedas directas en el colisionador gigante de hadrones (LHC) en el CERN, ni de ninguno de los detectores bajo tierra, como el CDMS o LUX [1]. Por otra parte no se ha encontrado ninguna evidencia indirecta a través de satélites astronómicos como Fermi, en busca de señales de su aniquilación.

Una hipótesis alternativa muy natural, que fue considerada durante mucho tiempo, es la de objetos compactos masivos del halo galáctico (MACHOs), tales como planetas, enanas marrones, estrellas de neutrones o agujeros negros. Tales objetos compactos se buscaron hace décadas, gracias al fenómeno de microlente gravitacional: cuando un objeto masivo, como un agujero negro, una enana marrón o incluso un planeta cruza la línea de visión de una estrella distante, se induce un efecto de lente gravitacional en los rayos de luz de la estrella, lo que resulta en una amplificación temporal acromática de la luminosidad de la estrella.

Algunos experimentos astronómicos buscaron variaciones en el brillo de millones de estrellas en las nubes de Magallanes, sin encontrar ninguna evidencia clara de objetos compactos que comprendan el 100% de nuestro halo galáctico. Estos resultados fueron suficientemente concluyentes como para restringir la hipótesis MACHO hasta masas del orden de unas pocas masas solares. Recientemente, con el descubrimiento por parte de LIGO de ondas gravitacionales provinientes de la colisión de dos agujeros negros de unas 30 masas solares, se ha abierto la posibilidad de que la materia oscura esté formada por una distribución de agujeros negros primordiales de distintas masas, que se formaron en el universo primitivo (antes de la nucleosíntesis de los primeros elementos atómicos), cuando el universo tenía menos de un segundo de vida, a partir de las mismas fluctuaciones que vemos en el fondo de radiación, pero de mayor amplitud a pequeñas escalas.

Si la materia oscura fueran agujeros negros masivos, éstos podrían constituir las semillas a partir de las cuales se formaron las galaxias hace miles de millones de años. La acreción de gas alrededor de dichos agujeros negros formaría los primeros quásares, que aumentarían su masa hasta llegar a los miles de millones de masas solares que se observan en el centro de todas las galaxias espirales. Además, con esta hipótesis se pueden explicar fácilmente muchas propiedades de la distribución de materia oscura en el Universo, y en particular porqué hasta ahora no habíamos detectado las galaxias enanas que orbitan nuestra propia galaxia.

Por otra parte, estos agujeros negros se podrían detectar con GAIA, buscando pequeñas desviaciones en las trayectorias de las estrellas de nuestra galaxia debido a la presencia entre ellas de dichos agujeros negros masivos, así como con experimentos de microlente gravitacional de larga duración que sean sensibles a masas superiores a 10 masas solares. La confirmación definitiva probablemente vendrá de la mano de los detectores de ondas gravitacionales, pues éstos son directamente capaces de detectar la masa y el espín de los agujeros negros que colisionan, no solo hoy en día sino hace miles de millones de años, y por tanto determinar su origen no estelar.

52.2 Energía Oscura.

No solo la materia oscura es un misterio que podría tener solución en un futuro próximo; también la energía oscura podría tener los días contados, aunque éste es probablemente un problema bastante más peliagudo. Mientras que la materia oscura actúa como la materia ordinaria, atrayendo otras componentes de materia, la energía oscura es completamente distinta: se trata de un agente repulsor del espacio-tiempo, aunque no haya ningún tipo de materia en él. Es una propiedad muy peculiar de la relatividad general y no tiene su análogo newtoniano. En la teoría de Einstein, el espacio-tiempo es dinámico y la materia y la energía lo curvan o deforman. En particular, una densidad de energía aproximadamente constante (como la así llamada constante cosmológica) hace que dos puntos cualesquiera del universo se separen de forma acelerada, cada vez más deprisa. Esta constante fue introducida por Einstein en sus ecuaciones para contrarrestar la atracción gravitacional de la materia, en su búsqueda de una solución estática del universo, antes de la detección de la expansión del universo por Edwin Hubble [2].

A finales del siglo pasado dos grupos confirmaron, usando medidas de la luminosidad de ciertas supernovas lejanas, que el universo se está expandiendo de forma acelerada, tal como predicen las ecuaciones de Einstein con una constante cosmológica. Hoy en día las medidas de dicha aceleración se hacen con una gran variedad de observaciones, desde el fondo de radiación de microondas hasta la estructura a gran escala de galaxias y cúmulos. Sin embargo, estas observaciones no nos permiten concluir si el agente responsable de la aceleración actual es una constante o bien evoluciona ligeramente con el tiempo. En un futuro próximo, con cartografiados más precisos, a bordo de satélites como Euclid de la ESA, podremos explorar las posibles desviaciones respecto de una constante cosmológica y determinar si existe algún campo cósmico cuya energía actual acelere el universo. Tales campos no son impensables, de hecho aparecen a menudo en la física de partículas, como por ejemplo el campo de Higgs, cuya densidad de energía es en principio enorme y es necesario un mecanismo que la restrinja o cancele para que hoy en día tenga un valor compatible con las observaciones. Otro campo parecido es el del inflatón, cuya energía es responsable de la aceleración primordial del universo, que actuó durante una fracción infinitesimal de segundo, poco después del origen del universo, y que dio lugar a toda la materia y energía que observamos hoy en día, en un universo homogéneo y euclídeo. Dichos campos podrían estar relacionados con el misterio de la energía oscura, aunque por el momento es prematuro asignarle un valor a dicho campo. Esperemos que la exploración del universo con satélites como Euclid nos desvele el misterio.

Notas:

[1] Ver capítulo 53

[2] Ver capítulo 59

Bibliografía:

“La materia oscura”, Alberto Casas, RBA (2015).

“El corazón de las tinieblas: materia y energía oscuras”, Simon Mitton y Jeremiah Ostriker, Ed. Pasado y Presente (2014).

Juan García-Bellido Capdevila

Doctor Física Teórica

Catedrático, Universidad Autónoma de Madrid

NASA, ESA, M.J. Jee and H. Ford (Johns Hopkins University)

Materia Oscura - American Museum

31 de Octubre

Día Internacional

de la Materia Oscura.

Clip From "Dark Universe" | Hayden Planetarium, American Museum of Natural History from BillMoyers.com on Vimeo.

NASA, ESA, M.J. Jee and H. Ford (Johns Hopkins University)

domingo, 29 de octubre de 2017

Camino de Santiago / Way of St. James 2017-27

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Hace más de mil millones de años, dos agujeros negros remotos ejecutaron una danza mortal girando en espiral uno alrededor del otro hasta fusionarse. Aquella colisión fue tan violenta que hizo temblar el tejido del espaciotiempo, lo que generó ondas gravitacionales que se propagaron a través del cosmos a la velocidad de la luz. En septiembre de 2015, después de viajar más de mil millones de años luz, esas ondulaciones...