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)
No hay comentarios:
Publicar un comentario