¿Cuánta materia vemos?

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                                          La constante de Hubble en función de la Densidad Crítica

La cantidad total de Materia del Universo se da generalmente en términos de una cantidad llamada Densidad Crítica, denotada por Ω. Esta es la densidad de la materia que se necesita para producir un universo plano. Si Densidad efectivamente observada es menor o mayor que ese número, en el primer caso el Universo es abierto, en el segundo es cerrado. La Densidad Crítica no es muy grande; corresponde aproximadamente a un protón por metro cúbico de espacio. Puede que no parezca mucho, dado el número inmenso de átomos en un metro cúbido de lodo, pero no debemos olvidar que existe una gran cantidad de espacio “vacío” entre las galaxias.

Algunos números que definen nuestro Universo:

• El número de fotones por protón
• La razón entre densidades de Materia Oscura y Luminosa.
• La Anisotropía de la Expansión.
• La falta de homogeneidad del Universo.
• La Constante Cosmológica.
• La desviación de la expansión respecto al valor crítico.
• Fluctuaciones de vacío y sus consecuencias.
• ¿Otras Dimensiones?

En las últimas medidas realizadas, la  Densidad crítica que es la densidad necesaria para que la curvatura del universo sea cero, ha dado el resultado siguiente:  r₀ = 3H₀²/8pG = 1.879 h² 10^-29 g/cm³, que corresponde a una densidad tan baja como la de la masa de 2 a 3 átomos de hidrógeno por metro cúbico (siempre, por supuesto obviando la incertidumbre en la constante de Hubble).

Estimar la cantidad de materia luminosa del universo es una cosa muy fácil de hacer. Sabemos el brillo que tiene una estrella media, así que podemos hacer una estimación del número de estrellas de una galaxia distante. Podemos contar entonces el número de galaxias en un volumen dado de espacio y sumar las masas que encontramos. Dividiendo la masa por el volumen del espacio obtenemos la densidad media de materia en ese volumen. Cuando llevamos a cabo esta operación, obtenemos que la densidad de la materia luminosa es aproximadamente entre el uno o dos % menor de la densidad crítica; es decir, menos de lo que se necesita para cerrar el universo.

Por otro lado, está lo bastante cerca del valor crítico para hacer una pausa. Después de todo, esta fracción podría haber sido en principio de una billonésima o trillonésima, y también podría haber sucedido que fuese un millón de veces la materia necesaria para el cierre. ¿Por qué, entre todas las masas que podría tener el universo, la masa de materia luminosa medida está cerca del valor crítico?

Claro que el hecho de que la materia luminosa medida esté tan cercana al valor crítico, puede simplemente deberse a un accidente cósmico; las cosas simplemente “resultan” de ese modo. Me costaría mucho aceptar una explicación y supongo que a otros también. Es tentador decir que el Universo tiene en realidad la masa crítica, pero que de algún modo no conseguimos verla toda.

Como resultado de esta suposición, los astrónomos comenzaron a hablar de la “masa perdida” con lo que aludían a la materia que habría llenado la diferencia entre densidades observadas y crítica. Tales teorías de “masa perdida”, “invisible” o, finalmente “oscura”, nunca me ha gustado, toda vez que, hablamos y hablamos de ella, damos por supuesta su existencia sin haberla visto ni saber, exactamente qué es, y, en ese plano, parece como si la Ciencia se pasara al ámbito religioso, la fe de creer en lo que no podemos ver ni tocar y, la Ciencia, amigos míos, es otra cosa.

Tendremos que imaginar satélites y sondas que, de alguna manera, puedan detectar grandes halos galácticos que encierren la tan buscada materia oscura y que, al parecer, hace que nuestro Universo sea como lo conocemos y, es la responsable del ritmo al que se alejan las galaxias, es decir, la expansión del Universo.

Esos halos, tendrían muchas veces las masas que podemos ver en la Materia luminosa de las estrellas, planetas, galaxias y nosotros mismos. La teoría de la materia oscura y su presencia en cúmulos y supercúmulos ha sido “descubierta” (o inventada para tapar nuestra ignorancia) en época relativamente cercana para que prevalezca entre los astrónomos la uninimidad respecto a su contribución a la masa total del universo. El debate continúa, está muy vivo y, es el tema tan candente e importante que, durará bastante tiempo mientras algún equipo de observadores no pueda, de una vez por todas, demostrar que, la “materia oscura” existe, que nos digan donde está, y, de qué está conformada y como actúa. Claro que, cuando se haga la suma de materia luminosa y oscura, la densidad de la masa total del universo no será todavía mayor del 30% del valor crítico. A todo esto, ocurren sucesos que no podemos explicar y, nos preguntamos si en ellos, está implicada la Materia oscura.

La más abarrotada colisión de cúmulos galácticos ha sido identificada al combinar información de tres diferentes telescopios. El resultado brinda a los científicos una posibilidad de aprender lo que ocurre cuando algunos de los más grandes objetos en el universo chocan en una batalla campal cósmica.

Usando datos del Observatorio de rayos-X Chandra, el Telescopio Espacial Hubble y el Observatorio Keck de Hawai, los astrónomos fueron capaces de determinar la geometría tridimensional y el movimiento en el sistema MACSJ0717.5+3745 localizado a 5.4 mil millones de años luz de la Tierra. Los investigadores encontraron que cuatro distintos cúmulos de galaxias están envueltos en una triple fusión, la primera vez que un fenómeno así es documentado.

La composición de imagen (arriba de todo) muestra el cúmulo de galaxias masivo MACSJ0717.5+3745. El color del gas caliente está codificado con colores para mostrar su temperatura. El gas más frío es mostrado como un púrpura rojizo, el gas más caliente en azul y las temperaturas intermedias en púrpura. Las repetidas colisiones en el cúmulo son causadas por una corriente de galaxias, polvo y “materia oscura” -conocida como filamento- de 13 millones de años luz.

Se han obtenido Imágenes (MACSJ0717) que muestran cómo cúmulos galácticos gigantes interactúan con su entorno en escalas de millones de años luz. Es un sistema hermoso para estudiar cómo los cúmulos crecen mientras el material cae en ellos a lo largo de filamentos. Simulaciones por ordenador muestran que los cúmulos de galaxias más masivos deben crecer en regiones donde filamentos de gran escala de gas intergaláctico, galaxias, y materia desconocida intersectan, pero…

¿Cuál debe ser la Masa del Universo?

                  Alan Guth

Esta claro que la idea de masa perdida se introdujo porque la densidad observada de la materia del universo está cerca del valor crítico. Sin embargo, hasta comienzos de los ochenta, no se tuvo una razón teórica firme para suponer que el universo tenía efectivamente la masa crítica. En 1981, Alan Guth, publicó la primera versión de una teoría que desde entonces se ha conocido como “universo inflacionista”. Desde entonces, la teoría ha sufrido numerosas modificaciones técnicas, pero los puntos centrales no han cambiado.

Para nuestra conversación de hoy, diremos que el aspecto principal del universo inflacionista es que estableció por primera vez una fuerte presunción de que la masa del universo tenía realmente el valor crítico. Esta predicción viene de las teorías que describen la congelación de la fuerza fuerte en el segundo 10^-35 del Big Bang. Entre los otros muchos procesos en marcha en ese tiempo estaba una rápida expansión del universo, un proceso que vino a ser conocido como inflación. Es la presencia de la inflación la que nos lleva a la predicción de que el universo tiene que ser plano.

Abell 370 La lente gravitacional distorsiona la Imagen y nos enseña, a la derecha, algo que nos parece una inmensa cuerda cósmica pero, ¿que podrá ser en realidad? la materia a lo largo y ancho del universo se reparte de manera que, se ve concentrada en cúmulos de galaxias y supercúmulos que son las estructuras más grandes conocidas y, dentro de ellas, están todos los demás objetos que existen. Claro que, deajndo a un lado esas fluctuaciones de vacío y, la posible materia desconocida.

El proceso mediante el cual la fuerza fuerte se congela es un ejemplo de un cambio de fase, similar en muchos aspectos a la congelación del agua. Cuando el agua se convierte en hielo, se expande; una botella de leche explotará si la dejamos en el exterior en una noche de invierno de gélido frío. No debería ser demasiado sorprendente que el universo se expanda del mismo modo al cambiar de fase.

La distancia a una galaxia lejana se determina estudiando la luz proveniente de estrellas de tipo Cefeidas Variables. El expectro de la luz estelar revela la velocidad a la que se mueve la galaxia (Efecto Doppler) y la cantidad de expansión que ha sufrido el universo desde que la luz salió de su fuente.

Lo que es sorprendente es la enorme amplitud de la expansión. El tamaño del Universo aumentó en un factor no menor de 10⁵⁰. Este número es tan inmenso que virtualmente no tiene significado para la mayoría de la gente, incluido yo mismo que, no pocas veces me cuesta asimilar esas distancias inconmensurables del Cosmos. Dicho de otra manera, pongamos, por ejmplo, que la altura de los lectores aumentara en un factor tan grande como ese, se extenderían de un extremo al otro del Universo y, seguramente, faltaría sitio. Incluso un sólo protón de un sólo átomo de su cuerpo, si sus dimensiones aumentaran en 10⁵⁰, sería mayor que el mismo universo. En 10^-35 segundos, el universo pasó de algo con un radio de curvatura mucho menor que la partícula elemental más pequeña a algo como el tamaño de una naranja grande. No es extraño que el nombre inflación esté ligado a este proceso.

Comparación entre un modelo de expansión desacelerada (arriba) y uno en expansión acelerada (abajo). La esfera de referencia es proporcional al factor de escala. El universo observable aumenta proporcionalmente al tiempo. En un universo acelerado el universo observable aumenta más rápidamente que el factor de escala con lo que cada vez podemos ver mayor parte del universo. En cambio, en un universo en expansión acelerada (abajo), la escala aumenta de manera exponencial mientras el universo observable aumenta de la misma manera que en el caso anterior. La cantidad de objetos que podemos ver disminuye con el tiempo y el observador termina por quedar aislado del resto del universo.

Cuando (hace mucho tiempo ya) leí por primera vez acerca del universo inflacionario, experimenté dificultades para poder asimilar el índice de inflación. ¿No violaría un crecimineto tan rápido las reglas impuestas por la relatividad de Eintien que marcaban el límite de la velocidad en el de la luz en el vacío? Si un cuerpo material viajó de un extremo de una naranja a otro en 10^-35 segundos, su velocidad excedió a la de la luz en una fracci´çon considerable.

Claro que, con esto puede pasar como ha pasado hace unos días con los neutrinos que, algunos decían haber comprobado que corrían más rápidos que la luz, y, sin embargo, todo fue un error de cálculo en el que no se tuvieron en cuenta algunos parámetros presentes en las mediciones y los aparatos que hacían las mismas. Aquí, podría pasar algo parecido y, la respuesta la podemos encontrar en aquella analogía con la masa de pan. Durante el período de inflación es el espacio mismo -la masa de pan- lo que está expandiéndose. Ningún cuerpo material (acordaos que en aquella masa estaban incrustadas las uvas que hacían de galaxias y, a medida que la masa se inflaba, las uvas -galaxias- se alejaban las unas de las otras pero, en realidad, ninguna de estas uvas se mueven, es la masa lo que lo hace.

                     El Universo se expande

Las reglas contra los viajes a mayor velocidad que la de la luz sólo se aplican al movimiento del espacio. Así no hay contradicción, aunque a primera vista pueda parecer que sí. Las consecuencias del período de rápida expansión se pueden describir mejor con referencia a la visión einsteniana de la gravitación. Antes de que el universo tuviera 10^-35 segundos de edad, es de suponer que había algún tipo de distribucón de la materia. A cauda de esa materia, el espacio-tiempo tendrá alguna forma característica. Supongamos que la superficie estaba arrugada antes de que se produjera la inflación. Y, de esa manera, cuando comenzó a estirarse, poco a poco, tomó la forma que ahora podemos detectar de “casi” plana conforme a la materia que contiene.

En todo esto, hay un enigma que persiste, nadie sabe contestar cómo, a pesar de la expansión de Hubble, se pudieron formar las galaxias. La pregunta sería: ¿Qué clase de materia estaba allí presente, para que, la materia bariónica no se expandiera sin rumbo fijo por todo el universo y, se quedara el tiempo suficiente para formar las galaxias? Todo ello, a pesar de la inflación de la que hablamos y que habrái impedido su formación. Así que, algo tenía que existir allí que generaba la gravedad necesaria para retener la materia bariónica hasta que esta, pudo formar estrellas y galaxias.

No me extrañaria que, eso que llaman materia oscura, pudiera ser como la primera fase de la materia “normal” que, estándo en una primera fase, no emite radiaciones ni se deja ver y, sin embargo, sí que genera la fuerza de Gravedad para hacer que nuestro Universo, sea tal como lo podemos observar.

En imagenes como esta, los “expertos” nos dicen cosas como:

“La materia oscura en la imagen de varias longitudes de onda de arriba se muestra en un falso color azul, y nos enseña detalles de como el cúmulo distorsiona la luz emitida por galaxias más distantes. En forma de gas muy caliente, la materia normal en falso color rojo, son fruto de los rayos-X detectados por el Observatorio de Rayois X Chandra que orbita alrededor de la Tierra.”

Algunas galaxias individuales dominadas por materia normal aparecen en colores amarillentos o blanquecinos. La sabiduría convencional sostiene que la materia oscura y la materia normal son atraídas lo mismo gravitacionalmente, con lo que deberían distribuirse homogéneamente en Abell 520. Si se inspecciona la imagen superior, sin embargo, se ve un sorprendente vacío de concentración de galaxias visibles a lo largo de la materia oscura. Una respuesta hipotética es que la discrepancia causada por las grandes galaxias experimentan algún tipo de “tirachinas” gravitacional.

Una hipótesis más arriesgada sostiene que la materia oscura está chocándo consigo misma de alguna forma no gravitacional que nunca se había visto antes..? (esto está sacado de Observatorio y, en el texto que se ha podido traducir podemos ver que, los astrónomos autores de dichas observaciones, tienen, al menos, unas grandes lagunas y, tratándo de taparlas hacen aseveraciones que nada tienen que ver con la realidad).

Lo cierto es que, en el Universo, son muchas las cosas que se expanden y, pienso yo…¿Por qué no tratamos todos de expandir nuestras mentes? De esa manera, posiblemente podríamos llegar a comprender esos fenómenos que nos atormentan y a los que no podemos encontrar una explicación  que podamos constatar.

¿Materia Oscura?  Sí, pero entonces… Unicornios y Gárgolas, también.

emilio silvera

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