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)