Descubrimientos sobre el origen del universo y algunas observaciones astronómicas recientes parecen indicar que el universo a gran escala está constituido en su mayoría por una forma de materia aún no observada. Las teorías de las partículas elementales permiten la posibilidad de la existencia de formas de materia en el universo que aun no hemos detectado.
Los astrónomos del siglo XIX se dieron cuenta que la órbita de Urano se desviaba con respecto a los resultados predichos por la mecánica de Newton. En 1846 el astrónomo francés Leverrier postuló la existencia de un octavo planeta (Neptuno) que al ser colocado estratégicamente en una órbita especial explicaría las desviaciones observadas en la órbita de Urano.
Neptuno
fue un ejemplo de materia oscura, es decir una forma de materia
cuya existencia se postula para resolver un problema relacionado
con la
interacción gravitacional
de un sistema astronómico.
Hoy, tanto los astrofísicos (que estudian el macrocosmos)
y los físicos de partículas (que estudian el microcosmos)
introducen nuevas formas de materia para ayudarnos a explicar
observaciones que no concuerdan con las teorías.
La física de
partículas elementales
y la astrofísica han venido en un proceso de convergencia
en el que tanto sus teorías como sus descubrimientos están
mutuamente ligados.
Las respuestas a estas
preguntas fundamentales dependerán de nuestro conocimiento
sobre la cantidad y naturaleza de la materia en el universo.
La materia oscura puede ser por ejemplo planetas en otros sistemas solares en nuestra galaxia o en otras galaxias, que por no tener luz propia no los hemos observado. También pueden existir grandes cantidades de masa en el espacio interestelar en forma de nubes de partículas de polvo o gas.
Estos posibles
planetas o nubes de gas no observados estarían constituidos
por materia normal, es decir por materia hecha de los
átomos
que aparecen en la tabla periódica. Sin embargo, en el
universo pueden existir otras manifestaciones de materia oscura
como los famosos
agujeros negros
o formas más exóticas
como algunas partículas cuyos nombres son tan oscuros como
su naturaleza: axiones,
neutrinos,
gravitinos, fotinos, higgs,
monopolos magnéticos, WIMPS, etc.
LA MATERIA OSCURA EN EL ORIGEN DEL UNIVERSO
Según el
modelo cosmológico estándar
el universo comenzó hace aproximadamente
15 mil millones de años en la
explosión del espacio
a partir de un punto de infinita densidad. No es el único
modelo que existe pero si ha salido favorecido gracias a la sólida
base experimental que lo sustenta:
se han observado la expansión
del espacio, la energía remanente del Big Bang
(radiación cósmica de fondo),
y la abundancia
relativa de los elementos livianos en el universo tal como lo
predice el modelo.
LA INFLACIÓN
Los físicos Alan H. Guth del MIT y Andrei D. Linde del Instituto Lebedev de Ciencias Físicas de Moscú, desarrollaron la idea de una fase inicial del universo según la cual el universo se origina con la expansión acelerada del espacio. En elmodelo de inflación la densidad de energía en el universo corresponde a la densidad crítica. Si sumamos toda la masa de las galaxias y las estrellas que podemos observar, ésta apenas es el 2% de la densidad crítica el 98% restante puede ser materia oscura o una fuente de presión negativa (llamada constante cosmológica).
FORMACIÓN DE GALAXIAS Y ESTRUCTURA EN EL
UNIVERSO
Otra razón para pensar que debe existir materia oscura viene del estudio del proceso de formación de galaxias y cúmulos de galaxias. Nosotros sabemos que la distribución de masa a gran escala en el universo no es completamente homogénea, presenta cúmulos y concentraciones muy densas. Porqué la masa en el universo no está distribuida de forma completamente homogénea como las partículas de gas en un globo?
La materia en el universo no se distribuye como las moléculas en un gas (de lo contrario no existirían galaxias y no estaríamos aquí) sino que se acumula en unos centros formando así las galaxias y los cúmulos de galaxias. El mecanismo que da origen a las agrupaciones de masa observadas es el de colapso gravitacional de grandes nubes de hidrógeno y helio.
La distribución de materia
en épocas muy remotas del universo presentaba pequeñísimas
fluctuaciones que terminaban produciendo algunas regiones más
densas que otras. El universo se enfría a medida que avanza
la expansión y eventualmente las regiones más densas
reúnen la masa necesaria para formar un sistema que pueda
mantenerse como una entidad separada por la acción de su
propia atracción gravitacional. A partir de este momento
ocurre el colapso gravitacional del sistema el cual terminará
en galaxias y estructuras mayores formadas por agrupaciones de
galaxias.
Estudiando los catálogos de galaxias
los astrofísicos han podido darse una idea sobre cómo
están distribuidas en el espacio estas estructuras y basados
en la
interacción gravitacional
y las leyes de los fluidos
en un espacio en expansión se ha calculado qué tan
grandes e intensas han debido ser esas fluctuaciones originales
en la densidad de la materia. La pregunta sobre cuáles
son las características de las fluctuaciones primigenias
en la densidad de la materia son muy relevantes, especialmente
ahora que contamos con datos originados en la época del
universo justo cuando comenzaba el colapso gravitacional.
La
radiación cósmica de fondo,
descubierta por Arno Penzias y Robert
Wilson en 1965, es la radiografía del universo cuando éste
apenas cumplía sus primeros 700 mil años de edad
y el proceso de formación de estructuras apenas comenzaba.
Debido a que la radiación y la materia en el universo temprano estaban en equilibrio térmico, las fluctuaciones en la materia necesariamente producían fluctuaciones en la radiación. Es de esperarse entonces que la radiación cósmica de fondo exhiba pequeñas fluctuaciones o anisotropías en su temperatura.
Las
observaciones del proyecto COBE
(Observador de la radiación cósmica
de fondo) de la NASA lanzado en Noviembre de 1989 han confirmado
la existencia de estas anisotropías en el fondo cósmico
de microondas. Sin embargo, la amplitud de las fluctuaciones detectadas
por COBE resultan ser solo de una parte en cien mil, lo cual es
más pequeño de los que esperaríamos si queremos
explicar la distribución observada de la materia en el
universo a partir de fluctuaciones primordiales. Una manera de
resolver este problema es introduciendo materia oscura que interacciona
débilmente, de esta forma se tiene la fuente de atracción
gravitacional requerida para formar estructuras sin perturbar
demasiado el campo de radiación.
Una de las virtudes del modelo inflacionario
es que éste explica el origen de las fluctuaciones primordiales
en la materia a partir de las fluctuaciones cuánticas del
campo que produce la inflación. La propiedad fundamental
de las fluctuaciones primordiales predichas por los modelos inflacionarios
es que éstas aparecen de igual forma a todas las escalas
de longitud. En un
análisis que realicé
de las anisotropías
detectadas por el proyecto COBE basado en las propiedades topológocas
de los mapas de radiación pude determinar que las características
de las
anisotropías
de la
radiación cósmica de fondo,
son consistentes con las propiedades de invariancia de
escala predichas por el modelo inflacionario.
LA DINAMICA DE LAS GALAXIAS ESPIRALES
Sobre el lugar donde pueda estar la
materia oscura podemos dar algunas respuestas parciales basados
en la dinámica de las galaxias y sistemas binarios de
estrellas. Sobre la naturaleza de la materia oscura también
podemos dar algo de luz basados en la abundancia de elementos
químicos livianos en el universo.
Para producir un movimiento de rotación es necesario proporcionar una fuerza. Esto lo podemos experimentar al hacer girar una piedra amarrada a un lazo y sentir la tensión de la cuerda con nuestras manos. Razonando de esta forma podemos mostrar que para mantener un objeto en una órbita circular alrededor de un centro, es necesario aplicar una fuerza.
La Tierra por ejemplo se mantiene en órbita alrededor del Sol por la fuerza de atracción entre estas dos masas. Así como en el caso de la Tierra alrededor del Sol, las estrellas en una galaxia del tipo espiral giran alrededor de su centro por la fuerza de atracción gravitacional que proviene de la misma masa de la galaxia.
Gracias a los estudios de la astrónoma
norteamericana Vera Rubin, se pudo determinar que la cantidad
de masa necesaria para producir el movimiento de rotación
de las galaxias espirales es mayor que la masa observada por
los telescopios. Nos encontramos una vez más con la necesidad
de invocar la presencia de masa oscura. Debe existir en el centro
de la galaxia alguna forma de masa que contribuya gravitacionalmente
a mantener a la materia en órbita, de lo contrario sus
estrellas saldrían por la tangente.
Un ejemplo de este
fenómeno lo encontramos en la galaxia espiral de Andrómeda.
Es la galaxia más cercana a la
nuestra
(excluyendo la nube
de Magallanes) y está a solo dos millones de
años luz
de distancia.
Alan M. Dressler del Instituto Carnegie, Douglas
O. Rirchstone de la Universidad de Michigan y John Kormendy de
la Universidad de Hawaii, han demostrado que en el centro de Andrómeda
debe existir una masa de aproximadamente 30 a 70
masas solares
para poder explicar su dinámica rotacional.
Si a la materia visible en el universo le sumamos la cantidad de materia oscura necesaria para explicar el movimiento de rotación de todas las galaxias apenas llegamos a un 20% de la masa crítica del universo. ¿Dónde está el 80% restante? Aún quedan razones para seguir buscando materia oscura.
LOS AGUJEROS NEGROS
En imágenes recientemente recibidas
por el reparado telescopio espacial Hubble se ha podido recoger
evidencia que indica la presencia de un
agujero negro
en el centro
de una galaxia. Estos objetos resultan como
producto final
de
la vida de ciertas estrellas
que al quemar todo su combustible
entran en un colapso gravitacional que los hace un punto donde
la gravedad es tan intensa que ni siquiera la
luz
puede escapar
su atracción. La materia que pueda llegar a las cercanías
de un agujero negro sería inmediatamente devorada por éste.
En su camino hacia el agujero negro la materia sería acelerada
intensamente emitiendo radiación y de esta forma se puede
revelar su presencia.
Con respecto a la naturaleza de la materia oscura sabemos que el 80% que todavía nos falta por explicar no puede ser del tipo de materia de la cual se hacen las partículas pesadas como los protones y los neutrones. La mayor parte de la materia oscura si existe debe ser de la misma naturaleza de las partículas livianas como el electrón que es responsable de la conducción de la electricidad.
La clasificación de partículas en livianas y pesadas refleja una propiedad más fundamental que tiene que ver con la constitución misma de las partículas. Las pesadas (bariones) como el protón y el neutrón están constituidas por otras partículas fundamentales llamadas quarks. El protón, por ejemplo está hecho de tres de esos quarks. Mientras que las partículas livianas (leptones) son fundamentales en el sentido de no ser compuestas por otras partículas.
¿Por qué la materia oscura no puede ser del tipo
de materia bariónica? La respuesta viene de la observación
de la abundancia en el universo de los elementos químicos
de origen cosmológico como el hidrógeno y el helio.
La formación de estos elementos
(nucleosíntesis)
en el universo ocurrió a los tres minutos después
del Big Bang. La proporción exacta de helio
producido en la nucleosíntesis depende de la cantidad de
bariones disponibles. La observación de la proporción
de 20% en helio y 80% en hidrógeno en el universo sólo
puede darse si la cantidad de bariones en el universo no es mayor
a un 20% de la densidad crítica del universo.
LOS NEUTRINOS MASIVOS
¿Dónde están las partículas livianas (leptones) que se necesitan para completar el 80% de la materia no observada del universo? Los físicos de partículas nos indican que los neutrinos pueden ser estas partículas y que el Sol, por ser una fuente de neutrinos, lo podemos usar como laboratorio para probar esta hipótesis.
Los neutrinos son
partículas eléctricamente neutras que pertenecen
a la familia de los
leptones.
Estos se producen en reacciones
nucleares tales como las que tienen lugar en el centro del Sol.
La única forma de interacción que sufre con otras partículas
es a través de la
interacción nuclear débil,
por esta razón atraviesan la
Tierra
como si nada las disturbara.
Fueron postulados por Wolfgang Pauli en 1930 y descubiertos en
1956 por Fred Reines y Clyde Cowan en un reactor nuclear. Existe
una gran cantidad de neutrinos en el universo producidos en las
reacciones a alta temperatura en los
primeros dos segundos
de vida del universo.
Es posible que los neutrinos posean masa. Según el experimento
japones de Superkamiokande los neutrinos producidos por
rayos cósmicos
en la atmósfera terrestre sufren oscilaciones
(o cambios de tipo de neutrino) lo cual indica de forma indirecta
que los neutrinos pueden tener masa.
Aun no sabemos con certeza si los neutrinos tienen masa,
pero debido a la inmensa abundancia de estas partículas
bastaría que tuvieran una masa 17 mil veces más
pequeña que la de un electrón para alcanzar el 80%
de la masa faltante en el universo.
El artículo de
Neutrinos en el cosmos presenta el tema de los neutrinos más detalladamente.
En el centro del Sol se consumen 600 millones de toneladas de hidrógeno cada segundo, para producir helio por fusión nuclear. En estas reacciones se genera un gran flujo de neutrinos del tipo electrónico. Existen otros dos tipos de neutrinos (muónico y tauónico) que están asociados con reacciones donde intervienen otras partículas diferentes al electrón.
La mecánica cuántica nos dice que si el neutrino tiene masa entonces se puede transformar de un tipo de neutrino a otro. Si pudiéramos comprobar que parte de los neutrinos electrónicos que salen del Sol se transforman en neutrinos del tipo muónico se podría determinar su masa. Los experimentos de medición del flujo de neutrinos solares ya han acumulado resultados que indican la posibilidad de que estos posean masa.
En el experimento de Raymond Davis en las minas de oro de Homestake en Dakota del sur se mide el flujo de neutrinos electrónicos por medio de los efectos producidos en la reacción química del Cloro que se transforma en Argón al interactuar con neutrinos electrónicos. La cantidad de Argón resultante después de un tiempo controlado es proporcional al número de neutrinos que pasaron por el detector. El experimento de Homestake es sensible únicamente a neutrinos de tipo electrónico y sus resultados muestran que a la Tierra solo nos llega el 40% de los neutrinos que deberían llegar. Los resultados del experimento de Homestake fueron confirmados por un grupo de japoneses trabajando en el laboratorio de Kamiokande, el cual detecta los neutrinos solares por las reacciones que estos producen en un inmenso volumen de agua.
Si finalmente se puede determinar con precisión si el neutrino tiene masa, el problema de la masa oscura del universo se acercaría a una posible solución. Sin embargo, aún si el neutrino resulta ser una partícula masiva todavía quedarían aspectos por explicar. La formación de estructura a gran escala no puede resultar solo de neutrinos, porque al ser éstos tan livianos y con velocidades tan grandes escaparían de una región en un tiempo mucho más corto de lo que le toma a la gravedad colapsar la región que se esta formando. Es decir, los neutrinos sólo contribuirían a la formación de estructuras a partir de escalas muy grandes, dejando sin explicación la aparición de estructura a escalas menores.
LOS MONOPOLOS MAGNETICOS
Los monopolos magnéticos también han sido considerados como posibles candidatos a materia oscura del universo. A diferencia de las cargas eléctricas que vienen en entidades separadas en positivas y negativas, las cargas magnéticas no se han visto separadas. Si uno trata de separar el polo norte de un imán de su polo sur lo que resulta son dos imanes pequeños cada uno con su polo norte y sur.
La existencia de una partícula con carga magnética
separada (monopolo) no es prohibida por la teoría de Maxwell.
En una clase de teorías de unificación los monopolos
magnéticos deben aparecer obligatoriamente. Probar la existencia
de los monopolos magnéticos es conceptualmente fácil.
Si un monopolo magnético pasa por una embobinado de alambre,
éste induciría una corriente eléctrica que
se puede detectar. Un detector como éste fabricado por
Blas Cabrera en la Universidad de Standfor y el día 14
de febrero de 1982 mostró una señal que tenía
todas las características esperadas por el paso de un monopolo
magnético. Hasta el momento no se ha podido explicar este
evento por otros mecanismos que no sean el paso de un monopolo
magnético, pero tampoco se ha podido reproducir. En este
caso la estadística de un solo evento no es suficiente
para probar la existencia de monopolos. El físico inglés
Paul Dirac, quien predijo la existencia de monopolos magnéticos
en 1931, no aceptó una invitación a la conferencia
sobre monopolos de 1983 en Racine, Wisconsisn, respondiendo que
él ya no creía en los monopolos magnéticos
debido a la ausencia de resultados experimentales. De acuerdo
con Dirac, la existencia del monopolo magnético podría
explicar la cuantización de la carga eléctrica.
Hoy aún persiste el interés por los monopolos magnéticos,
y científicos de todo el mundo aúnan sus esfuerzos
y prueban muchas técnicas para detectarlos en un gran experimento
(MACRO) realizado en el túnel bajo las montañas
del Gran Sasso a pocos kilómetros de Roma.
Indagar sobre el origen y constitución
del universo siempre ha sido una manifestación natural
de las culturas más avanzadas. Hoy, tenemos la fortuna
de contar con valiosos datos experimentales que nos abren quizá
por primera vez la posibilidad de llegar a una respuesta a los
grandes enigmas que han atraído mentes brillantes a lo
largo de nuestra historia.
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