31 de Octubre
Día Internacional
lunes, 30 de octubre de 2017
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
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 - 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
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 - 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.
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)
domingo, 29 de octubre de 2017
Camino de Santiago / Way of St. James 2017-27
Camino de Santiago / Way of St. James
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12/04/2017
sábado, 28 de octubre de 2017
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viernes, 27 de octubre de 2017
jueves, 26 de octubre de 2017
Agujeros Negros Primodiales - Juan Garcia-Bellido y Sébastien Clesse
Kenn Brown, Mondolithic Studios
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...
CPAN Divulgación en Medios de Comunicación
La Butaca del Jueves 12
Creo que el Jueves es el día (noche)
perfecto para "acostarse" tarde.
Tengo la osadía de recomendaros unos "clásicos".
Apollo XIII
Apollo XIII
miércoles, 25 de octubre de 2017
Olga Zafra (Universidad Francisco de Vitoria - Madrid)
Doctora en Ciencias Biológicas / Ph. D. Biology
UFV Madrid
-Trilogía de Corfú / Corfu Trilogy
Gerald Durrell
"""Estos tres libros deberían estar en la cabecera
de todo amante de la naturaleza.
Están llenos de historias divertidas
con personajes humanos y animales.
Transmite la idea, principalmente, que no hace falta irse muy lejos,
en tu propio jardín puedes observar la naturaleza salvaje."""
-El Pulgar del Panda / The Panda´s Thumb
Stephen J. Gould
"""Atrayentes historias naturales cuyo objetivo es
ilustrarnos sobre la teoría de la evolución.
S. J. Gould es el mejor en esto."""
-El Anillo del Rey Salomón / King Solomon´s Ring
Konrad Lorenz
"""Conocí a K. Lorenz como el señor de los patos,
debido a la conocida imagen suya seguido de patitos
que han sido improntados para reconocerle como 'madre'.
En este libro analiza la comunicación y la violencia en los animales
y fue el primer contacto serio que tuve con la etología"""
domingo, 22 de octubre de 2017
Camino de Santiago / Way of St. James 2017-26
Camino de Santiago / Way of St. James
VILLAMBISTIA
12/04/2017
