¿Qué son la materia
y la energía oscuras?
El universo y nosotros mismos estamos hechos de materia y energía. Según descubrió Albert Einstein, en verdad la materia solo es un tipo de energía especialmente concentrada, lo cual quedó expresado en la ecuación más famosa de la historia de la ciencia:
E = m·c²
En ella, "E" es la energía, "m" la masa y "c" la velocidad de la luz (≈ 300.000 kilómetros por segundo). En otras palabras, en un solo gramo de materia hay almacenada una cantidad ingente de energía. Transformar una en otra es lo que hace que las centrales nucleares funcionen o que el Sol brille.
Nuestros cuerpos, y todo lo que podemos ver y tocar, está compuesto de un tipo especial de materia comúnmente llamada "bariónica" (véase capítulo 2).
Resumiéndolo mucho, estamos construidos a base de átomos, dentro de los cuales conviven distintas partículas subatómicas, en esencia un núcleo positivo formado por protones y neutrones junto con una capa exterior de negativos electrones que orbitan alrededor. De las propiedades de las partículas y sus interacciones, derivan todos los fenómenos que damos por supuestos en nuestra vida corriente. Por ejemplo, gracias a la repulsión eléctrica entre los electrones los átomos no se atraviesan unos a otros y existen objetos sólidos como el suelo que pisamos o nosotros mismos (cargas de idéntico signo se repelen).
Ello se lo debemos a la "interacción electromagnética", una de las cuatro interacciones fundamentales que rigen el universo. Por su parte la "interacción nuclear fuerte" mantiene unidos a los protones y neutrones del núcleo atómico impidiendo que la repulsión eléctrica lo haga estallar, mientras que la "interacción nuclear débil" configura la existencia de las partículas subatómicas de un modo que me temo no tenemos tiempo de estudiar aquí. Finalmente la misteriosa "interacción gravitatoria" nos mantiene a todos pegados a la superficie de nuestro planeta (para más información sobre las mencionadas cuatro interacciones fundamentales, véase el capítulo 2).
Sin embargo, la materia bariónica, nuestra materia, solo representa un 4% del contenido total de materia y energía del universo. Hay otro 23 % también en forma de materia, aunque no la podemos ver directamente, a pesar de que está a nuestro alrededor, por todos lados. Admitiendo nuestra total ignorancia sobre qué demonios es, se la ha llamado "materia oscura". Y sin embargo aún queda un 73% restante, presente como una energía desconocida... la "energía oscura". En unas pocas décadas hemos pasado de creer que empezábamos a tener mapeado el universo, a descubrir que en realidad no sabemos casi nada sobre el 96% de la materia y energía que lo forman. Más la incertidumbre y el misterio son el combustible que mueve a la ciencia y la impulsa a seguir hacia adelante, en busca de nuevas fronteras que explorar. Y ahora tiene muchas.
Resumiéndolo mucho, estamos construidos a base de átomos, dentro de los cuales conviven distintas partículas subatómicas, en esencia un núcleo positivo formado por protones y neutrones junto con una capa exterior de negativos electrones que orbitan alrededor. De las propiedades de las partículas y sus interacciones, derivan todos los fenómenos que damos por supuestos en nuestra vida corriente. Por ejemplo, gracias a la repulsión eléctrica entre los electrones los átomos no se atraviesan unos a otros y existen objetos sólidos como el suelo que pisamos o nosotros mismos (cargas de idéntico signo se repelen).
La nube de electrones con carga eléctrica negativa que rodea los átomos (esferas rojas en la imagen) hace que estos nunca puedan estar en contacto directo unos con otros, y menos atravesarse, gracias a la repulsión eléctrica. Ello proporciona consistencia a la materia ordinaria y evita que sea etérea como un fantasma. Cortesía de la interacción electromagnética. Fuente. |
Ello se lo debemos a la "interacción electromagnética", una de las cuatro interacciones fundamentales que rigen el universo. Por su parte la "interacción nuclear fuerte" mantiene unidos a los protones y neutrones del núcleo atómico impidiendo que la repulsión eléctrica lo haga estallar, mientras que la "interacción nuclear débil" configura la existencia de las partículas subatómicas de un modo que me temo no tenemos tiempo de estudiar aquí. Finalmente la misteriosa "interacción gravitatoria" nos mantiene a todos pegados a la superficie de nuestro planeta (para más información sobre las mencionadas cuatro interacciones fundamentales, véase el capítulo 2).
Sin embargo, la materia bariónica, nuestra materia, solo representa un 4% del contenido total de materia y energía del universo. Hay otro 23 % también en forma de materia, aunque no la podemos ver directamente, a pesar de que está a nuestro alrededor, por todos lados. Admitiendo nuestra total ignorancia sobre qué demonios es, se la ha llamado "materia oscura". Y sin embargo aún queda un 73% restante, presente como una energía desconocida... la "energía oscura". En unas pocas décadas hemos pasado de creer que empezábamos a tener mapeado el universo, a descubrir que en realidad no sabemos casi nada sobre el 96% de la materia y energía que lo forman. Más la incertidumbre y el misterio son el combustible que mueve a la ciencia y la impulsa a seguir hacia adelante, en busca de nuevas fronteras que explorar. Y ahora tiene muchas.
Puede que el lector se esté preguntando, ¿si la materia oscura es invisible a nuestros ojos y a nuestros aparatos detectores? ¿cómo sabemos que está ahí? ¿cómo podemos conocer su cantidad exacta e incluso su posición? Pues, tomando un ejemplo de la vida cotidiana, del mismo modo que usted podría atrapar a un hombre invisible en mitad de un campo cubierto por la nieve: buscando y siguiendo las huellas de sus botas (es muy posible que alguna vez se haya visto en esa problemática situación).
Cuando los astrónomos empezaron a observar el universo con precisión y a tomar medidas acerca del movimiento de estrellas y galaxias, hubo cosas que no les encajaron. Se encontraron con datos extraños, cabos sueltos que les llevaron a realizar un perturbador descubrimiento.
Pensad por un momento en el Sol, que tan débilmente nos ilumina y calienta en estas fechas. El Sol no está quieto, sino que en realidad orbita alrededor del núcleo de nuestra galaxia (el cual se halla presidido por un colosal agujero negro, pero esa es otra historia). El astro rey completa una órbita alrededor del núcleo a lo largo de unos 225 - 250 millones de años, a lo que llamamos "año galáctico". En concreto el Sol cuenta ya con 20 años galácticos, es decir, ha dado 20 vueltas a lo largo del disco de la Vía Láctea, entrando y saliendo de brazos espirales, pasando a través de nubes de gas y polvo interestelares, siendo amenazado por explosiones supernova, esquivando agujeros negros, etc. Es todo un aventurero.
La gravedad de la galaxia mantiene unidas a todas las estrellas que la componen, y su fuerza depende de la masa galáctica, es decir, de la suma de las masas de todas sus estrellas, gas interestelar, etc. Al igual que ocurre en nuestro sistema solar, es de esperar que cuanto más lejos del centro orbite una estrella, menor sea su velocidad, pues de lo contrario no habría gravedad suficiente como para detenerla y hace tiempo que habría salido despedida al espacio intergaláctico. Imagine que usted estuviera montado en un tío vivo y este empezara a girar demasiado deprisa; terminaría por salir volando hacia fuera. Tras años de meticulosas observaciones, los astrónomos consiguieron calcular la masa de la galaxia, y gracias a ello pudieron predecir las velocidades orbitales de sus estrellas en función de si estaban más cerca o más lejos del centro. Hasta ahí bien, excepto por un pequeño detalle: las velocidades reales de las estrellas más exteriores eran muy superiores a lo esperado; según lo que conocemos de las leyes de la gravedad, deberían de haber sido arrojadas muy lejos de la Vía Láctea, pero en lugar de ello siguen ahí, girando como nosotros. Pronto se vio que lo mismo ocurría en el resto de galaxias que se estudiaron.
Solo había dos posibles soluciones: o bien los señores Isaac Newton y Albert Einstein se equivocaron y la teoría de la gravedad con la que trabajamos es errónea, o bien hay una gran cantidad de materia que no vemos y cuya masa genera la gravedad necesaria para mantener unidas a todas las estrellas aunque sus velocidades de rotación sean elevadas. Fue un dilema muy grave que dividió a la comunidad científica. Por un lado, la actual teoría de la gravedad está muy bien asentada, ha sido probada un sinnúmero veces y es difícil echarla abajo así sin más. Por otro lado, sacarse de la manga un nuevo tipo de materia que no podemos ver y que llena e incluso rodea a toda nuestra galaxia es igualmente difícil de aceptar.
No obstante, la rotación de las estrellas dentro de las galaxias no es la única prueba de que algo extraño ocurre. En 1933 un científico búlgaro llamado Fritz Zwicky se percató de que las galaxias se movían anormalmente rápido dentro de los cúmulos en los cuales se agrupan. Y sin embargo, esos cúmulos se mantienen misteriosamente cohesionados. Él ya advirtió que muy probablemente una fuente desconocida y oculta de materia debía de aportar la masa necesaria para que la gravedad pudiera mantener unidas a todas las galaxias. Durante décadas nadie le hizo caso, hasta que las observaciones sobre velocidades de estrellas y galaxias fueron acumulándose y muy a su pesar a la comunidad científica no le quedó más remedio que tomarse el problema en serio.
Fijémonos en un cúmulo de galaxias cualquiera, el Cúmulo Coma. En él, la mayor parte de la materia ordinaria (bariónica) se haya presente en forma de gas caliente intergaláctico (principalmente hidrógeno), que emite una firma inequívoca a base de rayos X que lo delata. El resto, un porcentaje muy menor, se debe a las propias galaxias. Las proporciones aproximadas son:
7 % de galaxias, que detectamos en luz visible.
93 % de gas caliente, que detectamos en rayos X.
No obstante, incluso contando con el gas la gravedad provocada por toda esa masa no es suficiente como para retener a las galaxias, que zumban unas alrededor de las otras a considerable velocidad, como si fueran un enjambre de abejas enloquecidas. Y sin embargo, las galaxias siguen unidas.
Llegados a este punto nos toca subir las apuestas, ya que la gravedad provoca también otros efectos, efectos muy desconcertantes.
Gracias a Albert Einstein sabemos que aquello que llamamos gravedad es en realidad una deformación del espacio-tiempo. Imaginen que arrojan una bola de bowling sobre un colchón: obviamente el colchón se aplastará y combará bajo su peso. Pues el mismo efecto lo causan las grandes masas sobre el tejido espacio-temporal del universo, hacen que se doble. Literalmente, nos vemos atraídos por la Tierra debido a que "caemos" en su pozo gravitacional, e igual la Tierra con el Sol, el Sol con la Vía Láctea, etc.
Esto puede parecer una locura, pero tenemos pruebas aplastantes que lo demuestran (nunca mejor dicho). Por ejemplo, un rayo de luz que pase cerca de una gran masa verá modificada su trayectoria por culpa de la deformación del espacio y del tiempo que la gravedad de esta provoca. Y así es, en eclipses totales de Sol, se ha comprobado como la posición aparente de las estrellas cercanas cambia, debido a que la gran masa solar afecta y desvía a la luz que nos llega de ellas. Incluso se pueden llegar a ver por unos momentos estrellas que... ¡están detrás del Sol!
Pensad por un momento en el Sol, que tan débilmente nos ilumina y calienta en estas fechas. El Sol no está quieto, sino que en realidad orbita alrededor del núcleo de nuestra galaxia (el cual se halla presidido por un colosal agujero negro, pero esa es otra historia). El astro rey completa una órbita alrededor del núcleo a lo largo de unos 225 - 250 millones de años, a lo que llamamos "año galáctico". En concreto el Sol cuenta ya con 20 años galácticos, es decir, ha dado 20 vueltas a lo largo del disco de la Vía Láctea, entrando y saliendo de brazos espirales, pasando a través de nubes de gas y polvo interestelares, siendo amenazado por explosiones supernova, esquivando agujeros negros, etc. Es todo un aventurero.
Órbita galáctica del Sol. Las coordenadas de longitud galáctica, medidas en 360º, se nombran según las distintas constelaciones a las cuales apuntan desde nuestra perspectiva. Los brazos espirales aparecen indicados con colores, así como la barra galáctica central y el núcleo, a través de los cuales difícilmente podemos ver y que proyectan una sombra en nuestro ángulo de visión, que también se indica. La órbita del Sol está señalada en amarillo. Las distancias se expresan en años luz (ly) y kiloparsecs (kpc). Fuente.
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La gravedad de la galaxia mantiene unidas a todas las estrellas que la componen, y su fuerza depende de la masa galáctica, es decir, de la suma de las masas de todas sus estrellas, gas interestelar, etc. Al igual que ocurre en nuestro sistema solar, es de esperar que cuanto más lejos del centro orbite una estrella, menor sea su velocidad, pues de lo contrario no habría gravedad suficiente como para detenerla y hace tiempo que habría salido despedida al espacio intergaláctico. Imagine que usted estuviera montado en un tío vivo y este empezara a girar demasiado deprisa; terminaría por salir volando hacia fuera. Tras años de meticulosas observaciones, los astrónomos consiguieron calcular la masa de la galaxia, y gracias a ello pudieron predecir las velocidades orbitales de sus estrellas en función de si estaban más cerca o más lejos del centro. Hasta ahí bien, excepto por un pequeño detalle: las velocidades reales de las estrellas más exteriores eran muy superiores a lo esperado; según lo que conocemos de las leyes de la gravedad, deberían de haber sido arrojadas muy lejos de la Vía Láctea, pero en lugar de ello siguen ahí, girando como nosotros. Pronto se vio que lo mismo ocurría en el resto de galaxias que se estudiaron.
La línea azul de puntos muestra la relación esperada entre velocidad y distancia en la rotación de las estrellas alrededor de una galaxia espiral típica como la nuestra; la línea roja muestra los datos reales obtenidos. La presencia de una ingente cantidad de "materia oscura" explicaría los resultados, o eso o todo lo que sabemos de la gravedad está mal. Fuente.
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Solo había dos posibles soluciones: o bien los señores Isaac Newton y Albert Einstein se equivocaron y la teoría de la gravedad con la que trabajamos es errónea, o bien hay una gran cantidad de materia que no vemos y cuya masa genera la gravedad necesaria para mantener unidas a todas las estrellas aunque sus velocidades de rotación sean elevadas. Fue un dilema muy grave que dividió a la comunidad científica. Por un lado, la actual teoría de la gravedad está muy bien asentada, ha sido probada un sinnúmero veces y es difícil echarla abajo así sin más. Por otro lado, sacarse de la manga un nuevo tipo de materia que no podemos ver y que llena e incluso rodea a toda nuestra galaxia es igualmente difícil de aceptar.
No obstante, la rotación de las estrellas dentro de las galaxias no es la única prueba de que algo extraño ocurre. En 1933 un científico búlgaro llamado Fritz Zwicky se percató de que las galaxias se movían anormalmente rápido dentro de los cúmulos en los cuales se agrupan. Y sin embargo, esos cúmulos se mantienen misteriosamente cohesionados. Él ya advirtió que muy probablemente una fuente desconocida y oculta de materia debía de aportar la masa necesaria para que la gravedad pudiera mantener unidas a todas las galaxias. Durante décadas nadie le hizo caso, hasta que las observaciones sobre velocidades de estrellas y galaxias fueron acumulándose y muy a su pesar a la comunidad científica no le quedó más remedio que tomarse el problema en serio.
Fijémonos en un cúmulo de galaxias cualquiera, el Cúmulo Coma. En él, la mayor parte de la materia ordinaria (bariónica) se haya presente en forma de gas caliente intergaláctico (principalmente hidrógeno), que emite una firma inequívoca a base de rayos X que lo delata. El resto, un porcentaje muy menor, se debe a las propias galaxias. Las proporciones aproximadas son:
7 % de galaxias, que detectamos en luz visible.
93 % de gas caliente, que detectamos en rayos X.
Cúmulo de Coma (en luz visible), formado por más de mil galaxias, gas caliente intergaláctico y... mucha materia oscura. Fuente.
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No obstante, incluso contando con el gas la gravedad provocada por toda esa masa no es suficiente como para retener a las galaxias, que zumban unas alrededor de las otras a considerable velocidad, como si fueran un enjambre de abejas enloquecidas. Y sin embargo, las galaxias siguen unidas.
Llegados a este punto nos toca subir las apuestas, ya que la gravedad provoca también otros efectos, efectos muy desconcertantes.
Gracias a Albert Einstein sabemos que aquello que llamamos gravedad es en realidad una deformación del espacio-tiempo. Imaginen que arrojan una bola de bowling sobre un colchón: obviamente el colchón se aplastará y combará bajo su peso. Pues el mismo efecto lo causan las grandes masas sobre el tejido espacio-temporal del universo, hacen que se doble. Literalmente, nos vemos atraídos por la Tierra debido a que "caemos" en su pozo gravitacional, e igual la Tierra con el Sol, el Sol con la Vía Láctea, etc.
El sistema Tierra & Luna deformando el espacio-tiempo debido a su masa. Fuente. |
Esto puede parecer una locura, pero tenemos pruebas aplastantes que lo demuestran (nunca mejor dicho). Por ejemplo, un rayo de luz que pase cerca de una gran masa verá modificada su trayectoria por culpa de la deformación del espacio y del tiempo que la gravedad de esta provoca. Y así es, en eclipses totales de Sol, se ha comprobado como la posición aparente de las estrellas cercanas cambia, debido a que la gran masa solar afecta y desvía a la luz que nos llega de ellas. Incluso se pueden llegar a ver por unos momentos estrellas que... ¡están detrás del Sol!
El círculo azul representa a una estrella cualquiera, el círculo amarillo al Sol y el rojo a la Tierra. La línea de puntos marca la luz de la estrella que viaja y llega hasta nosotros en la Tierra. Al pasar por el medio, la gravedad del Sol desvía la trayectoria de la luz y hace que observemos a la estrella en un sitio distinto del cielo del que realmente ocupa. De este modo podemos ver a una estrella aún cuando esta se halla detrás del Sol. Fuente.
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Lo que ocurre con el Sol, sucede a una escala increíblemente mayor con las galaxias. Una galaxia muy masiva puede generar un efecto lente y ampliar, distorsionar o incluso dividir la imagen de las galaxias más lejanas que quedan detrás de ella.
La distorsión espacio - temporal de una galaxia cercana puede afectar a la de otra galaxia más lejana, doblándola e incluso duplicándola. Fuente.
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Los resultados, que han podido ser observados gracias a potentes telescopios, son espectaculares. Aquí les dejo un ejemplo:
Las manchas azules, algunas de las cuales he señalado con flechas, son la imagen dividida y distorsionada de una galaxia que se encuentra detrás. Fuente. |
Pues bien, los cúmulos galácticos como el de Coma distorsionan enormemente el espacio - tiempo, más, mucho más de lo que deberían si solo estuvieran conformados por materia ordinaria. He ahí una evidencia directa de la materia oscura. Gracias a su efecto sobre la gravedad, se puede no solo saber cuanta hay sino además donde está. Curiosamente, las cifras que reflejan los efectos gravitacionales concuerdan con la cantidad necesaria para que galaxias en cúmulos y estrellas en galaxias se mantengan todas arrejuntadas. Así es, todo ello apunta a que la materia oscura está realmente ahí (o tal vez deberíamos de decir aquí, por todas partes...) lo cual nos evita tener que modificar nuestra querida teoría de la gravedad.
Examinando la deformación gravitatoria provocada por galaxias cercanas, se ha comprobado que todas ellas, incluida la nuestra, están imbuidas en un gigantesco halo de materia oscura mucho mayor que ellas mismas, responsable de casi toda su masa y por lo tanto de casi toda su gravedad.
Representación de nuestra galaxia rodeada por su halo de materia oscura, coloreado artificialmente en azul. Fuente. |
Pero aún hay más. Agárrense los machos el lector porque lo que viene a continuación es lo más parecido que tenemos a una fotografía directa de la materia oscura. Y ello ha sido posible gracias a un fenómeno de proporciones colosales: el resultado de la colisión de dos enormes cúmulos de galaxias, el conocido como "Cúmulo de la Bala".
Este cúmulo se caracteriza por haber pasado sin ninguna consideración a través de otro mayor, generando una onda de choque de gases intergalácticos al hacerlo, lo cual le ha dado la forma de bala a la que debe su nombre. Decíamos antes que los cúmulos estaban formados por galaxias, gas caliente y materia oscura. Veamos que ha pasado con cada uno de ellos tras la colisión.
- Galaxias: se hallan muy alejadas unas de otras, así que simplemente se han cruzado sin chocar.
- Gas caliente intergaláctico: dada su elevada presencia y su ubicuidad, el gas de cada cúmulo sí que ha chocado, calentándose aún más y frenando considerablemente su movimiento, con lo cual se ha quedado atrás respecto de las galaxias.
- Materia oscura: responsable de la mayor parte de la masa del cúmulo, su huella gravitatoria demuestra que al igual que las galaxias no se ha visto afectada por la colisión, siguiendo su camino como si tal cosa.
Cúmulo de la Bala (derecha de la imagen) Fuente. |
Vale la pena prestar atención a la imagen anterior. Lo que vemos son en efecto dos cúmulos de galaxias que se han atravesado uno al otro. El pequeño de la derecha es el Cúmulo de la Bala, con su forma característica de proyectil. Pues bien, en rojo se muestra el gas caliente intergaláctico, cuya cantidad y posición conocemos gracias a los rayos X que emite. Como se puede ver, el choque lo ha distorsionado, calentado y ralentizado, quedándose en efecto atrás. En azul se ilustra a la materia oscura, que como decíamos puede ser localizada y cuantificada gracias a su huella gravitatoria, de modo análogo a las pisadas del hombre invisible de antes en la nieve.
La colisión del Cúmulo de la Bala nos demuestra que la materia oscura posee la capacidad de atravesarse sin interferir consigo misma, como si fuera una entidad fantasmal. ¿Recuerda el lector las cuatro interacciones fundamentales que citaba al principio? Pues la materia oscura solo parece verse afectada por la interacción gravitatoria debido a su masa. Por eso no la podemos ver, podría estar atravesándonos ahora mismo sin que nos diéramos cuenta, y muy probablemente lo esté haciendo. Solo a muy grandes escalas, en las cuales la gravedad se hace notar, la huella de la materia oscura se hace visible.
Y ahora demos la vuelta de tuerca final. Como el lector sabrá, el universo empezó en una gran explosión, el famosísimo Big Bang. Durante sus primeros 380.000, estaba tan caliente que toda la materia ordinaria se hallaba en forma de plasma.
Un plasma es un estado de la materia en el cual los electrones han sido arrancados de sus átomos por el calor y vagan anárquicamente por ahí, interfiriendo con los fotones debido a la interacción electromagnética e impidiendo que la luz se propague. En otras palabras, el universo era traslúcido. Sin embargo, justo hace 380.000 años su enfriamiento paulatino permitió que al fin los electrones orbitaran ordenadamente los núcleos atómicos. Gracias a ello la luz pudo escapar del caos y viajar al fin libremente. Esa luz nos sigue llegando actualmente en forma de microondas, proporcionándonos una instantánea acerca de cómo era el universo hace unos 13.420 millones de años, cuando era prácticamente un recién nacido. Aquí la tienen:
Un plasma es un estado de la materia en el cual los electrones han sido arrancados de sus átomos por el calor y vagan anárquicamente por ahí, interfiriendo con los fotones debido a la interacción electromagnética e impidiendo que la luz se propague. En otras palabras, el universo era traslúcido. Sin embargo, justo hace 380.000 años su enfriamiento paulatino permitió que al fin los electrones orbitaran ordenadamente los núcleos atómicos. Gracias a ello la luz pudo escapar del caos y viajar al fin libremente. Esa luz nos sigue llegando actualmente en forma de microondas, proporcionándonos una instantánea acerca de cómo era el universo hace unos 13.420 millones de años, cuando era prácticamente un recién nacido. Aquí la tienen:
Esta imagen se ha hecho muy famosa. Como el eco del universo primitivo que es, nos llega constantemente desde todas las direcciones del espacio. A menos que se halle usted bajo tierra, ahora mismo estos fotones ancestrales en forma de radiación de microondas están llegando hasta usted desde los albores del universo. Los colores azulados representan regiones ligeramente más frías, y los amarillos-rojos otras que están un poco más calientes. Todos sabemos gracias al funcionamiento de las ollas exprés que a cuanta más presión más calor, con lo cual podemos interpretar la imagen anterior no solo como un mapa de temperaturas sino también como un mapa de densidades. No le pasará desapercibido al atento lector que hay un granulado básico en el mapa, como unos píxeles o "grumos". Ello es de vital importancia, como pronto verá.
Y ahora viene lo gordo. Decíamos antes que la gravedad afecta al propio espacio-tiempo, curvándolo. Este hecho fue expresado por Albert Einstein en esta ecuación que sin duda va a espantar al lector:
No sienta temor, no hace falta ser un matemático para extraer de ella la información que necesitamos. Baste decir que los miembros de izquierda representan la métrica y la curvatura del espacio -tiempo. En otras palabras, nos dicen cual es su forma, lo aplastado o retorcido que está, como si fuera un gran pedazo de goma. Recuerde el lector que al hablar de espacio - tiempo, nos referimos a tres coordenadas espaciales y una temporal.
Nuestra mente no puede representarlo visualmente, pero nuestro universo se define por un sistema de cuatro coordenadas, tres espaciales y una temporal. Aunque gráficamente solo seamos capaces de dibujar tres, matemáticamente no hay problema con ello. Fuente.
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Por su parte, el símbolo de la derecha define la cantidad de materia y energía que hay en el universo.
Los resultados arrojados por esta ecuación ya vaticinaron que el universo se expandía incluso antes de que dicha expansión fuera efectivamente descubierta. Además, según las cifras que incluyamos en ella (en base a nuestras observaciones), describe tres posibles modelos de universos en base a su curvatura: cerrado, abierto o plano (ilustrados en orden descendente en la imagen de más abajo). Ω define la densidad del universo, que según la ecuación de antes define su forma y su destino. Ωₒ en concreto se refiere a la "densidad crítica", es decir, a la densidad necesaria para que el universo sea plano como una mesa de billar.
Estos dibujos simplifican las cuatro coordenadas del universo en solo tres, pues de otro modo no podríamos representarlo visualmente. Fuente. |
Como se ve, el primer universo está cerrado espacio-temporalmente sobre si mismo y en él los ángulos de un triángulo miden más de 180º. Ωₒ es superior a 1. En un universo así, la expansión se detendrá algún día y toda la materia volverá a juntarse implosionando sobre si misma (el gran crujido o Big Crunch).
En el segundo universo, los ángulos de un triángulo miden menos de 180 º y está abierto aunque es cóncavo. Ωₒ es inferior a 1. Nunca dejará de expandirse.
Y finalmente el último universo es plano como una tabla de cortar chorizo y en él los ángulos de un triángulo miden exactamente 180º. Ωₒ es igual a 1. Tampoco cesará nunca de expandirse.
Analizando la extensión en grados de los grumos sobre el mapa de la radiación de microondas, se descubrió cual es la forma de nuestro universo.
En la imagen de la izquierda, el universo está cerrado y los grumos aparecen más grandes de lo que deberían, en la del centro el universo es plano y tienen el tamaño que deben de tener, mientras que en la de la izquierda el universo está abierto pero combado y los grumos se muestran más pequeños de lo que deberían. Fuente.
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Gracias a ello, se pudo comprobar, no sin sorpresa, que Ωₒ = 1, es decir, vivimos en un universo plano como un tablero de ajedrez.
Hilando aún más fino, las variaciones en la densidad de la materia (los grumos) se hallaban formados por ondas en las cuales se agitaba el plasma de la época. Dichas ondas tenían un tono fundamental, provocado por la máxima compresión y expansión del plasma a instancias de su propia atracción gravitatoria. Ello marca el "pixelado" de los grumos, los cuales en efecto nos hablan del total de materia presente en el universo, tanto ordinaria como oscura.
Fuente. |
No se dejen amedrentar por la apariencia temible de esta gráfica y por favor obsérvenla. La cresta grande de la izquierda marca el tono fundamental en el cual se agitaba el plasma primitivo. Las crestas más pequeñas representan los armónicos, es decir, tonos de longitud más corta (múltiplos) que viajan con el tono fundamental. Y esos armónicos nos revelan mucha información. Si el tono fundamental muestra a la fuerza de la gravedad comprimiendo a toda la materia, la primera cresta pequeña indica una segunda compresión mucho menor, generada por la repulsión eléctrica, es decir, por la interacción electromagnética (el análisis del resto de crestas queda fuera de mi alcance). ¡Pero ojo! La materia oscura es inmune a la interacción electromagnética. Así que dicha cresta define la cantidad total presente de materia ordinaria, restado la materia oscura. Las cifras que salen son las siguientes:
- 4 % de materia ordinaria, que reacciona ante la gravedad y la interacción electromagnética.
- 23 % de materia oscura, que reacciona ante la gravedad pero no ante la interacción electromagnética, motivo por el cual no podemos verla (los fotones de la luz que nos permiten ver lo que hay a nuestro alrededor, son radiación electromagnética).
Y sin embargo aún falta un 73 % para llegar a la densidad crítica (Ωₒ = 1). Aquí interviene un factor adicional, la enigmática energía oscura. Parece tratarse un campo que permea todo el universo y funciona como una especie de "antigravedad".
Hasta hace unos años, existía el debate acerca de si el universo continuará expandiéndose para siempre o si algún día su propia gravedad detendrá el proceso. Todo dependía de la cantidad total de materia que hubiera en él. Lo que se daba por supuesto es que el proceso de expansión iba poco a poco decelerándose debido a la gravedad. Nada más lejos de la realidad: ahora se sabe que la expansión del universo... ¡se está acelerando! Sea lo que sea la energía oscura, modifica a la ecuación de Einstein y, al igual que la levadura hinchando un pastel, está logrando que el cosmos se expanda cada vez más rápido.
Todo indica que la energía oscura no siempre ha ocupado el papel que tiene hoy en día, si hubiera sido así habría hecho trizas al universo hace mucho tiempo, pues no hubiera permitido a la gravedad guiar la formación de galaxias, de regiones de formación estelar dentro de ellas y en definitiva de planetas como el nuestro. Parece que la energía oscura ha ido in crescendo poco a poco a lo largo de la historia del universo, hasta tener el papel que hoy ocupa y que será mayoritario en el futuro. Esto no es de extrañar, ya que la energía oscura está asocidada al propio espacio, con lo cual cuanto más espacio hay más poderosa se vuelve, y si sabemos que nuestro universo se está expandiendo... así es, es un fenómeno de retroalimentación positiva. Aparentemente nada podrá parar la expansión hasta que el universo se haga trizas y se diluya en la nada y en el olvido. Afortunadamente, aún quedan muchos miles de millones de años para eso.
Por su parte, la gravedad de la materia oscura ayudó a apelmazar a las estrellas en galaxias, en cuyo seno hemos podido nacer y vivir, y hoy en día sigue cumpliendo con dicha función, de vital importancia para nuestra existencia. Aún no sabemos que la compone, aunque sí que conocemos su "ficha policial": no interacciona consigo misma ni tampoco con la materia ordinaria, ignorando a la interacción electromagnética; solo le rinde pleitesía a la gravedad. Se han propuesto muchos tipos de partículas candidatas para ocupar su papel, incluidos los misteriosos neutrinos, pero aún no hay nada claro. Tal vez en los próximos años la ciencia pueda ir ahondando poco a poco en tan apasionante misterio.
Puede que el lector haya empezado a caer en la cuenta de lo afortunados que somos, en lo asombrosamente bien calibrado que está nuestro universo para que podamos morar en él: la materia oscura, las cuatro interacciones fundamentales, las piruetas de los átomos y las partículas que los componen, la energía oscura entrando en juego solo en el momento preciso... personalmente opino que todo ello es fruto del azar. De los numerosos universos que han existido, existen y algún día llegarán a existir, los seres humanos solo podemos vivir en uno que sea compatible con nuestra propia y frágil existencia. El azar infinito nos ha guiñado un ojo. Claro que esta es solo mi opinión, el lector es libre de dejar volar su mente y sacar sus propias conclusiones. Gracias por su paciencia y hasta el próximo capítulo.
Webgrafía: http://arbor.revistas.csic.es/index.php/arbor/article/viewArticle/2070/2634
https://science.nasa.gov/astrophysics/focus-areas/what-is-dark-energy/
http://today.slac.stanford.edu/feature/darkmatter.asp
Bibliografía:
- "El Lado Oscuro del Universo", Alberto Casas, editado por Catara y por el CSIC.
- "Mundos Oscuros", Jonathan Feng y Mark Trodden, revista "Investigación y Ciencia", nº 412 de enero de 2011.
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