Artículos sobre ciencia y tecnología de Mauricio-José Schwarz publicados originalmente en El Correo y otros diarios del Grupo Vocento

junio 14, 2006

Materia oscura

Observar nuestro universo es sin duda algo asombroso. Sin embargo, la física actual nos dice que el universo que observamos es apenas una fracción de la realidad, formada principalmente por materia que no podemos ver.

La novela de Fred Brown pubicada en español como Por sendas estrelladas lleva como título original The lights in the sky are stars, las luces en el cielo son estrellas.

Este afortunado título original evoca claramente la fascinación que el cielo y sus luces ejercen desde siempre sobre el ser humano, y que lo llevaron finalmente a descubrir qué era eso que brillaba allá arriba. Estrellas, sí, y galaxias enteras de diversas formas, ninguna caprichosa, todas sujetas a las leyes fundamentales de la física, y planetas, de los que podemos ver a simple vista al menos a algunos de los más cercanos como Venus, Mercurio, Marte y Júpiter.

La comprensión de lo que es ese universo que podemos ver, y que nos permitieron ver mejor sucesivas generaciones de instrumentos, desde el telescopio de Galileo hasta el James Webb, que sustituirá al Hubble en 2012, implicó entender el origen del universo, el movimiento de los incomprensiblemente grandes cuerpos galácticos formados por cientos de miles de millones de estrellas y cuerpos y el comportamiento físico de cuanto nos rodea. Y fue precisamente ese proceso de comprensión el que llevó a que el astrofísico Fritz Zwicky descubriera en 1933 que el universo visible no estaba completo.

Zwicky estudiaba el movimiento de las galaxias en los bordes del conjunto de galaxias Coma para calcular la masa de dicho conjunto. Su estimación de la masa que provocaría, según las leyes físicas, esos movimientos, resultó ser mayor que el cálculo de la masa del conjunto Coma basado en el número de galaxias que lo componen y su brillo total. De hecho, resultó mucho mayor. La masa necesaria para dar sentido a las ecuaciones gravitacionales era 400 veces mayor que la masa que podemos ver en ese conjunto. Este "problema de la masa faltante" llevó a postular que debería haber una gran cantidad de materia no visible u oscura en el universo.

Estudios posteriores relacionados con los movimientos de otras galaxias e incluso con la radiación de fondo que es la evidencia innegable del Big Bang que dio origen a nuestro universo confirmaron que "faltaba masa" en nuestra percepción visual del universo. Debía haber algo más en los cielos que esas luces que habíamos identificado como estrellas, y a tal masa faltante se le dio el nombre de "materia oscura".

Esto no significa, por supuesto, que sepamos qué es la materia oscura, ni que tengamos una idea clara de cómo se comporta. Y ciertamente no es la "masa oscura" a la que ocasionalmente hacen referencia algunas obras de ficción o de esoterismo imaginativo. Se trata únicamente de un nombre que hemos dado a la incógnita de una ecuación. Podría ser masa no visible, simplemente, pero también podría ser algo distinto, incluso desconocido, pero en todo caso forma el 96% de la masa total del universo, mientras que la masa radiante, la que puede verse en forma de luz o de radiación infrarroja, de ondas de radio, o de rayos X captados por nuestros diversos tipos de telescopios, es sólo el 4% del universo. Cuando mejor creíamos conocer nuestra realidad acabamos descubriendo que ni siquiera sabíamos de la existencia de la mayor parte de esta realidad.

El tema de la materia oscura es considerado actualmente uno de los problemas por resolver más apasionantes e importantes de la física. Otros estudios han conseguido identificar algunas características que debe tener la materia oscura. Por ejemplo, se ha determinado que alrededor del 90% de la masa del universo no interactúa con dos de las fuerzas elementales, la electromagnética y la fuerza nuclear fuerte, mientras que sí interactúa con la gravedad y con la fuerza nuclear débil, por lo que se sugiere que esta masa debe estar formada por partículas como los neutrinos, sumamente difíciles de detectar y que se mueven a velocidades "relativistas", es decir, cercanas a la velocidad de la luz, con lo cual están regidas por las leyes de la relatividad. Otra posibilidad que explora la física es que la masa oscura no esté formada por partículas libres, sino por grandes objetos como agujeros negros. estrellas de neutrones, estrellas poco visibles y planetas. Y buena parte de esa "masa oscura" podría ser "energía oscura", dado que gracias a Einstein sabemos que la energía y la masa son equivalentes, y ayudaría a explicar también las recientes observaciones que indican que la expansión de nuestro universo está acelerándose sin motivo aparente según nuestro marco teórico actual.

La posibilidad más enigmática que plantean las evidencias es que ni siquiera exista la materia oscura y que todo el enfoque sea incorrecto. Es decir, que la discrepancia entre la masa que vemos y la masa que los efectos gravitacionales nos dice que hay se debería a que las herramientas teóricas de las que disponemos actualmente para analizar el universo (la física newtoniana y la física einsteiniana) están aún sumamente incompletas y hay probablemente otro conjunto de fenómenos y leyes que amplíen nuestros conocimientos actuales y, una vez entendidos, podrían explicar los movimientos, estructura e historia del universo sin materia oscura. Quizá al poder unir en un solo cuerpo explicativo la mecánica cuántica y la gravitación la teoría nos ofrezca refinamientos suficientes para que nuestra imagen del universo sea coherente, o al menos eso esperan quienes trabajan en los complejos espacios matemáticos de la física teórica del siglo XXI.

Y, por supuesto, la explicación podría ser otra muy distinta, que incluso nadie haya podido imaginar hasta ahora.

La distribución galáctica


Las galaxias, pensaríamos, deberían estar distribuidas al azar en el espacio, pero no lo están, y las causas de este hecho extraño son uno de los misterios que buscan develar los astrofísicos.

A fines de abril de este año, un grupo de científicos de la Universidad de Cornell informaron que sus estudios sobre los datos aportados por el telescopio espacial Spitzer señalan que la materia oscura puede haber sido un factor de gran importancia en la formación y evolución de las galaxias visible, que sólo podrían haber nacido dentro de aglomeraciones de materia oscura de cierto tamaño en las etapas iniciales del universo.

Según Duncan Farrah y sus colegas de Cornell, la observación de la luz de los cuerpos conocidos como Galaxias Luminosas Infrarrojas indica que en la historia del universo era necesaria la existencia de una cantidad mínima determinada de masa oscura para que se formaran las galaxias y se unieran en conjuntos. Eso que no vemos sería, así, en definitiva, uno de los elementos más importantes que han colaborado a darle forma a nuestro universo.

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