« Conociendo la materia

  ¿Cómo pudo surgir la Vida? ¡Es todo tan complejo!

Debajo de ésta imagen se puede leer:

“Hallan indicios de materia oscura unida al Cosmos. La evidencia muestra nuevos fenómenos físicos que podrían ser la extraña y desconocida materia oscura o la energía que se origina de los pulsares. Un detector de rayos cósmicos de dos mil millones de dólares en la Estación Espacial Internacional halló la huella de algo que pudiera ser la materia oscura, la misteriosa sustancia que se cree mantiene unido al cosmos.”

“Pero los primeros resultados del Espectrómetro Magnético Alfa (AMS, por sus siglas en inglés) son casi tan enigmáticos como la materia oscura en sí, la cual nunca ha sido observada directamente. Muestran evidencia de nuevos fenómenos físicos que podrían ser la extraña y desconocida materia oscura o la energía que se origina de los pulsares, anunciaron un miércoles científicos en el laboratorio europeo de física de partículas cerca de Ginebra.”

 

Como no me canso de repetir, cualquiera de estas noticias nos vienen a decir que, de la “materia oscura”, nada sabemos. Sería conveniente, para que las cuentas cuadren, que exista esa dichosa clase de materia o lo que pueda ser, toda vez que, sin ella, no resulta fácil llegar a una conclusión lógica de cómo se pudieron formar las galaxias, o, de por qué se mueven las estrellas de la manera que lo hacen.

hace treinta años, los astrofísicos se enfrentan a este dilema: o bien las galaxias tienen mucha materia que no vemos, pero que causa una fuerte atracción gravitatoria sobre las estrellas externas (que por ello orbitarían tan rápido) o bien ni la ley de la gravedad de Newton ni la de Einstein serían válidas esas regiones externas de las galaxias. Las dos opciones son revolucionarias para la física: la primera implica la existencia de materia oscura en el universo (materia que no vemos pero que sí afecta al movimiento de las estrellas y galaxias), y la segunda implica que una ley básica (la de Newton/Einstein de la gravitación) es incorrecta.

En el momento actual, no sabemos cual de esas dos opciones es la buena (podrían incluso ser buenas las dos, es decir, que existiera materia oscura y además que la teoría de Newton/Einstein estuviera mal. No creo que sea ese el problema, debe haber una tercera opción desconocida que debemos encontrar). La gran mayoría de los astrofísicos prefieren explicarlo con la materia oscura(un camino cómodo y fácil) antes que dudar de las leyes de la gravitación de Newton/Einstein. Esto no es sólo cuestión de gustos, es que las leyes de la gravitación funcionan con una increíble exactitud en todos los demás casos donde las hemos puesto a prueba (en los laboratorios, en las naves espaciales y los interplanetarios, en la dinámica del Sistema Solar, etc.).

El problema de la materia oscura (si es que realmente existe y no es que las leyes de Newton/Einsteinsean incompletas) es uno de los más importantes con los que se enfrenta la astrofísica hoy en día.

Cuando pienso en la existencia ineludible de esa “materia cósmica” primigenia, la primera y más sencilla clase de materia que se formó en las primeras fracciones del primer segundo del big bang, en la mente se me aparece una imagen llena de belleza creadora a partir de la cual, todo lo que ahora podemos contemplar es posible. La belleza de la idea es que toma dos problemas -la ventana del tiempo inadecuada para la fromación de las galaxias y la existencia de la “materia oscura”- y los une para conformar una solución al dilema central de la estructura del universo.

La “materia oscura”, por hipótesis, tiene una ventana de tiempo mucho más larga que la materia ordinaria, porque se desapareja más pronto en el Big Bang. Tiene mucho tiempo para acumularse antes de que la materia ordinaria sea libre para hacerlo y formar los átomos. La “materia oscura o sustancia cósmica primera, es de porte más sencillo y no tiene ni requiere la complejidad de la materia bariónica para formarse, es totalmente translúcida y se sitúa por todas partes, es decir, permea todo el universo invadiendo todas sus regiones a medida que este se expande más y más. Y fue esa “invisible” sustancia cósmica, la que realmente hizo posible que las galaxias se pudieran formar a pesar de la expansión de Hubble.

El hecho de que la materia ordinaria caiga entonces en el agujero gravitatorio creado de este modo sirve para explicar por qué encontramos galaxias rodeadas por un halo de algo que hemos dado en llamar “materia oscura”. Tal hipótesis mata dos pájaros de un sólo tiro.

Pero debemos recordar que en este punto sólo tenemos una idea que puede funcionar, no una teoría bien construida. Para pasar de la idea a la teoría, tenemos que responder dos preguntas importantes y difíciles:

1. ¿Cómo explicamos la estructura de la “materia oscura”?

2. ¿Que es la “materia oscura”?

3. ¿Qué partículas son las que conforman ésta materia fantasmal?

Se habla de materia oscura caliente y fría. También, algunas veces me veo sorprendido por las ocurrencias que tienen algunos científicos de hoy que, como los antiguos, imaginan respuestas para acomodar las cuestiones que realmente desconocen y, buscan así, una salida airosa sin que se note la inmensa ignorancia que llevan consigo.

Podríamos comenzar a examinar estas cuestiones pensando en el modo en que la “materia oscura” pudo separarse de la nube caliente en expansión, de materiales que constituía el universo en sus comienzos. Por analogía de la discusión del desaparejamiento de la materia ordinaria después de la formación de los átomos, llamaremos también desaparejamiento a la separación de la “materia oscura” de aquella fuente “infinita” de energía primera. Una transformarción como la que condujo a la formación de los átomos es necesaria para que ocurra el desaparejamiento. Todo lo que tiene que suceder es que la fuerza de la interacción de las partículas que forman la “materia oscura” caigan por debajo del punto en que el resto del universo puede ejercer una presión razonable sobre él. Después de esto, la “materia oscura” continuará a su aire, indiferente a todo lo que la rodee.

Resulta que desde el punto de vista de la creación de la estructura observada del universo, la característica más importante del proceso de desaparejamiento para la “materia oscura” es la velocidad de las partículas cuando son libres. Si el desaparejamiento tiene lugar muy pronto en el Big Bang, la “materia oscura” puede salir con sus partículas moviéndose muy rápidamente, casi a la velocidad de la luz. Si es así, decimos que la “materia oscura” está caliente. Si el desaparejamiento tiene lugar cuando las partículas están moviendose poco a poco -velocidad significativamente menor que la de la luz- decimos que la materia está fría.

De los tipos de “materia oscura” que los cosmólogos toman en consideración, los neutrinos serán el mejor ejemplo de “materia oscura” caliente. Los neutrinos han llamado la atención de los científicos en relación a la “materia oscura” durante mucho tiempo. Para tener una idea aproximada del número de neutrinosdel universo, podríamos decir que existe actualmente un neutrino por cada reacción nuclear que tuvo lugar desde siempre. Los cálculos indican que hubo aproximadamente mil millones de neutrinosproducidos durante el Big Bang por cada protón, neutrón o electrón. Cada volumen del espacio del tamaño de nuestro cuerpo contiene unos diez millones de estos neutrinos-reliquias y en ellos no se encuentran los que se produjeron más tarde en las estrellas. Está claro que toda partícula tan corriente como ésta podría tener en principio un efecto muy grande sobre la estructura del Cosmos, si tuviera una masa.

La materia oscura caliente podría convivir con la materia oscura fría en los halos galácticos | Astrofísica | La Ciencia de la Mula Francis

Pero resulta que la “materia oscura” caliente, actuando sola, casi con toda seguridad no podría explicar lo que observamos en el universo y que el escenario de “materia oscura-fria” debe modificarse por completo si queremos mantenerla como candidata a esa teoría última de la materia que “debe” existir en el universo pero, que no sabemos lo que es y la llamamos, precisamente por eso “materia oscura”.

El tema de la materia desconocida, invisible, oculta y misteriosa que hace que nuestro universo se comporte como la hace… ¿sigue siendo una gran incognita! Nadie sabe el por qué las galaxias se alejan las unas de las otras, el motivo de que las estrellas en la periferia de las galaxias se muevan a mayor velocidad de lo que deberían y otros extraños sucesos que, al desconocer los motivos, son achacados a la “materia oscura”, una forma de evadirse y cerrar los ojos ante la inmensa ignorancia que tenemos que soportar en relación a muchos secretos del Universo a los que no podemos dar explicación.

              Claro que otros, han imaginado cuestiones y motivos diferente para explicar las cosas

Aunque no todas si son muchas las GUT y teorías de supersimetría las que predicen la de cuerdas en la congelación del segundo 10^-35 después del comienzo del tiempo, cuando la fuerza fuerte se congeló y el universo se infló. Las cuerdas se deben considerar un subproducto del proceso mismo de congelación. Es cierto que aunque las diversas teorías no predicen cuerdas idénticas, sí predicen cuerdas con las mismas propiedades generales. En primer lugar las cuerdas son extremadamente masivas y también extremadamente delgadas; la anchura de una cuerda es mucho menor que la anchura de un protón. Las cuerdas no llevan carga eléctrica, así que no interaccionan con la radiación como las partículas ordinarias. Aparecen en todas las formas; largas lineas ondulantes, lazos vibrantes, espirales tridimensionales, etc. Sí, con esas propiedades podrían ser un candidato perfecto para la “materia oscura”. Ejercen una atracción gravitatoria y no pueden ser rotas por la presión de la radiación en los inicios del Universo.

 El espesor estimado de una cuerda es de 10^-30 centímetros, comparados con los 10^-13 de un protón. Además de ser la más larga, y posiblemente la más vieja estructura del universo conocido, una cuerda cósmica sería la más delgada: su diámetro sería 100.000.000.000.000.000 veces más pequeño que el de un protón.. Y la cuerda sería terriblemente inquieta, algo así como un látigo agitándose por el espacio casi a la velocidad de la luz. Las curvas vibrarían como enloquecidas bandas de goma, emitiendo una corriente continua de ondas gravitacionales: rizos en la misma tela del espacio-tiempo. ¿Qué pasaría si una cuerda cósmica tropezara con un planeta? Al ser tan delgada, podría traspasarlo sin tropezar con un solo núcleo atómico. Pero de todos modos, su intenso campo gravitatorio causaría el cáos.

Lo cierto es que todavía no se ha encontrado ninguna cuerda de este tipo. Si bien en los últimos años han surgido muchas candidatas a estar formadas por un efecto de lente de este tipo, la mayoría han resultado ser dos cuerpos distintos pero muy similares entre sí. Pese a ello, los astrofísicos y los teóricos de cuerdas no pierden la esperanza de encontrar en los próximos años, y gracias a telescopios cada vez más potentes, como el GTC y aceleradores como el LHC las evidencias directas de la existencia de este tipo de cuerdas; evidencias que no sólo nos indicarían que las teorías de cuerdas van por buen camino, sino que el modelo del Big Bang es un modelo acertado.

Simulación del efecto de lente generado por una cuerda cósmica. Crédito: PhysicsWorld.com

Por tanto, cuando observásemos un objeto con una cuerda cósmica en la trayectoria de nuestra mirada, deberíamos ver este objeto dos veces, con una separación entre ambas del orden del defecto de ángulo del cono generado por la curvatura del espaciotiempo. Esta doble imagen sería característica de la presencia de una cuerda cósmica, pues otros cuerpos, como estrellas o agujeros negros,  curvan el espaciotiempo de manera distinta. Por tanto, una observación de este fenómeno no podría dar lugar a un falso positivo.

En este sentido, el nombre de cuerda cósmica está justificado debido a que son impresionantemente pesadas, pasando a ser objetos macroscópicos aun cuando su efecto es pequeño. Una cuerda de seis kilómetros de longitud cuya separación entre ambas geodésicas es de apenas 4 segundos de arco tendría ¡la masa de la Tierra!. Evidentemente, cuerdas de este calibre no se espera que existan en la naturaleza, por lo que los defectos de ángulo esperados son aún menores y, por tanto, muy difíciles de medir.

Una de las virtudes de la teoría es que puede detectarse por la observación. Aunque las cuerdas en sí son invisibles, sus efectos no tienen por qué serlo. La idea de las supercuerdas nació de la física de partículas, más que en el de la cosmología (a pesar de que, la cuerdas cósmicas, no tienen nada que ver con la teoría de las “supercuerdas”, que mantiene que las partículas elementales tienen forma de cuerda). Surgió en la década de los sesenta cuando los físicos comenzaron a entrelazar las tres fuerzas no gravitacionales – electromagnetismo y fuerzas nucleares fuertes y débiles – en una teoría unificada.

En 1976, el concepto de las cuerdas se había hecho un poco más tangible, gracias a Tom Kibble. Kibble estudiaba las consecuencias cosmológicas de las grande teorías unificadas. Estaba particularmente interesado en las del 10^-35 segundo después del Big Bang.

                Podrían estar por todas partes

Aunque no todas si son muchas las Grandes Teorías Unificadas y teorías de supersimetría las que predicen la formación de cuerdas en la congelación del segundo 10^-35 despues del comienzo del tiempo, cuando la fuerza fuerte se congeló y el universo se infló. Las cuerdas se deben considerar un subproducto del proceso mismo de congelación. Es cierto que aunque las diversas teorías no predicen cuerdas idénticas, sí predicen cuerdas con las mismas propiedades generales. En primer lugar las cuerdas son extremadamente masivas y también extremadamente delgadas; la anchura de una cuerda es mucho menor que la anchura de un protón. Las cuerdas no llevan carga eléctrica, así que no interaccionan con la radiación como las partículas ordinarias. Aparecen en todas las formas; largas lineas ondulantes, lazos vibrantes, espirales tridimensionales, etc. Sí, con esas propiedades podrían un candidato perfecto la “materia oscura”. Ejercen una atracción gravitatoria, no pueden ser rotas por la presión de la radiación en los inicios del Universo.

Como habéis podido comprender, todas estas teorías están por demostrar y sólo son conjeturas derivadas de profundos pensamientos de lo que puso ser y de lo que podría ser. Nada relacionado con la materia oscura, las supercuerdas o las cuerdas cósmicas ha sido demostrado ni se han observado por medio alguno en nuestro Universo. Sin embargo, no descartar nada y hacer lo posible por demostrarlas, es la obligación de los científicos que tratan de buscar una explicación irrefutable de cómo es el Universo y por qué es así.

                El misterioso “universo” de los campos cuánticos que nadie sabe lo que esconde

A los cosmólogos les gusta visualizar esta revolucionaria transición como una especie de “cristalización”: el espacio, en un principio saturado de energía, cambió a la más vacía y más fría que rodea actualmente nuestro planeta. Pero la cristalización fue, probablemente, imperfecta. En el cosmos recién nacido podría haberse estropeado con defectos y grietas, a medida que se enfriaba rápidamente y se hinchaba. En fin, muchas elucubraciones y conjeturas que surgen siempre que no sabemos explicar esa verdad que la Naturaleza esconde y, mientras tanto nosotros, simples mortales de la especie Homo, seguimos dejando volar nuestra imaginación que trata, cargada siempre de curiosidad, de desvelar esos misterios insondables del Universo.

Finalmente sabremos sobre esa sustancia cósmica que impregna todo el universo pero, no será la “materia oscura” de la que todos hablan, será otra cosa muy diferente e inimaginable en estos momentos en los que, nuestra ignorancia, echa mano de cualquier cosa para poder ocultarla… ¡materia oscura! ¿qué es eso?

emilio silvera

Todas las galaxias, incluída la nuestra, podrían estar completamente rodeadas por una enorme esfera de agujeros negros. Esa es la extraordinaria conclusión de un equipo de investigadores del Centro Espacial Goddard, de la NASA, que ha sugerido la posibilidad de que la misteriosa y hasta ahora esquiva materia oscura esté hecha, en realidad, de “agujeros negros primordiales“, esto es, formados durante el primer segundo tras el Big Bang.

Para Alexander Kashlinsky, director de la investigación, la idea es consistente con lo que observamos en el fondo cósmico, tanto en la longitud de onda del infrarrojo como en la de los rayos X, y puede explicar también las masas inesperadamente elevadas de los dos agujeros negros en proceso de fusión observadas el año pasado, durante la primera detección de ondas gravitacionales. El estudio se acaba de publicar en The Astrophysical Journal Letters.

“Este estudio -explica el investigador- constituye un gran esfuerzo para unir toda una serie de ideas y observaciones y ver lo bien que encajan. Y resulta que encajan sorprendentemente bien. Si esto es correcto, entonces todas las galaxias, incluyendo la nuestra, serían parte de una gran esfera de agujeros negros, cada uno de ellos de aproximadamente 30 masas solares”.

Ya en 2005, Kashlinsky dirigió a un equipo de astrónomos, que usaron el telescopio espacial Spitzer para explorar el brillo del fondo cósmico en el rango del infrarrojo en una porción concreta de cielo. Los científicos reportaron una irregularidad excesiva en ese brillo, y concluyeron que probablementese se debía a la suma de los brillos de las primeras fuentes de luz que iluminaron el Universo primitivo, hace más de 13.000 millones de años. Estudios posteriores confirmaron que este brillo del fondo cósmico de infrarrojos (CIB, por sus siglas en inglés) tiene la misma e inesperada estructura irregular también en otras partes del cielo.

Arriba, región de cielo en infrarrojos. Abajo, la misma zona, con las estrellas y otras fuentes de infrarrojos oscurecidas, mostrando que el fondo restante, …

En 2013, otra investigación hizo lo mismo, pero esta vez observando el brillo del fóndo cósmico en el rango de los rayos X (CXB), utilizando el telescopio espacial Chandra, y en la misma porción de cielo en la que se había medido el brillo en el infrarrojo. Las primeras estrellas, que emiten la mayor parte de su radiación en el espectro visible y en el ultravioleta, no contribuyen en exceso al CXB.

El resultado fue que los brillos irregulares en el fondo cósmico coincidían muy bien tanto en los rayos X como en el infrarrojo. Y el único objeto conocido capaz de ser lo suficientemente luminoso en cualquier rango de energía es un agujero negro. Los investigadores, pues, concluyeron que los agujeros negros primordiales, los que se formaron durante el Big Bang, debieron de ser muy abundantes entre las primeras estrellas, tanto como para constituir al menos una de cada cinco de las fuentes que contribuyen al CIB.

No es materia oscura, sino agujeros negros

Y aquí es donde entra en juego la materia oscura, cuya auténtica naturaleza sigue siendo uno de los problemas no resueltos más importantes de la astrofísica. Cinco veces más abundante que la materia ordinaria, de la que están hechas todas las galaxias, estrellas y planetas que podemos ver, la materia oscura no “brilla”, es decir, no emite radiación, en ninguna longitud de onda, por lo que resulta indetectable para cualquiera de nuestros instrumentos. Sabemos que está ahí, sin embargo, porque su fuerza gravitatoria obliga a la materia ordinaria (la que sí podemos ver) a moverse de formas que, sin la existencia de esa masa invisible, serían imposibles.

Hasta ahora los físicos han tratado de construir modelos teóricos que puedan explicar la materia oscura con una partícula exótica muy masiva, pero todas las pruebas llevadas a cabo para encontrar esa hipotética partícula han fracasado sin excepción.

             Existe una amplia cartografía de la “materia oscura”

Según Kashlinsky, “estos estudios están proporcionando resultados cada vez más sensibles, reduciendo lentamente el abanico de parámetros donde las partículas de materia oscura se podrían ocultar. Pero el fracaso a la hora de encontrarlas ha llevado a un renovado interés por el estudio de lo bien que los agujeros negros primordiales -agujeros negros formados en primera fracción de segundo del universo- podrían funcionar como materia oscura”.

Los físicos creen que hay varias formas en que el universo temprano, muy caliente y en rápida expansión, pudo producir agujeros negros primordiales en la primera milésima de segundo tras el Big Bang. Y cuanto más tarde se pusiera en marcha este mecanismo, mayores serían los agujeros negros “fabricados” por el Universo recién nacido. Dado que la “ventana” para crear estos agujeros negros dura apenas una fracción de segundo, los agujeros negros primordiales, según los investigadores, deberían de estar todos dentro de un estrecho rango de masas.

Ondas gravitacionales, la primera pista

El pasado 14 de septiembre, los observatorios LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) detectaron las ondas gravitacionales causadas por la fusión de dos agujeros negros a 1.300 millones de años luz de distancia. Fue la primera (y por ahora la única) vez que se lograba detectar las ondas gravitacionales que había predicho Einstein hace un siglo, pero también fue la primera detección directa de un agujero negro en toda la historia de la Ciencia. La señal captada por los investigadores aportó información sobre las masas de los dos agujeros negros en proceso de fusión: 29 y 36 masas solares, respectivamente. Valores inesperadamente grandes y, sobre todo, sorprendentemente similares.

“Según cuál sea el mecanismo que está actualdo -explica Kashlinsky- los agujeros negros primordiales podrían tener propiedades muy similares a las detectadas por LIGO. Si asumimos que ese es el caso, y que LIGO captó la fusión de dos agujeros negros nacidos en el universo temprano, entonces podemos estudiar las consecuencias que esto tiene en nuestra comprensión de cómo el cosmos, en última instancia, evolucionó”.

Agujeros negros de masa estelar detectados hasta ahora mediante rayos X (izquierda) y por el experimento LIGO (derecha); el eje vertical indica la masa de …

En su nuevo trabajo, Kashlinsky analiza lo que podría haber sucedido si la materia oscura realmente consiste en una gran población de agujeros negros similares a los detectados por LIGO. Esos agujeros negros, por ejemplo, distorsionaron la distribución de la masa en el universo temprano, añadiendo una pequeña fluctuación que tuvo consecuencias cientos de millones de años más tarde, cuando las primeras estrellas empezaron a formarse.

Durante los primeros 500 millones de años de existencia del Universo, la materia ordinaria estaba demasiado caliente como para unirse y formar las primeras estrellas. Pero la materia oscura no resultó afectada por la temperatura ya que, debido a su propia naturaleza, no depende de la radiación e interactúa fundamentalmente a través de la gravedad. Agregándose a causa de esta atracción gravitatoria, la materia oscura se agrupó primero en estructuras llamadas “mini halos”, lo que proporcionó una serie de “semillas gravitacionales” alrededor de las cuales la materia ordinaria pudo ir acumulándose. Así, el gas caliente (la materia ordinaria) se fue acumulando alredodor de los “mini halos”, dando lugar a “paquetes” de gas lo suficientemente densos como para colapsar sobre sí mismos y formar las primeras estrellas.

Kashlinsky observa que si efectivamente los agujeros negros son la materia oscura, el proceso de formación estelar sucedería más rápidamente y se producirían con más facilidad las irregularidades en la luminosidad del fondo cosmico observadas en el rango de los infrarrojos por el telescopio Spitzer. Y esto sería así incluso si solo una pequeña parte de los “mini halos” estuviera produciendo estrellas.

Por supuesto, los agujeros negros también capturarían una parte del gas caliente que era atraído lor los “mini halos”. Esa materia, se recalentaría según se fuera acercando a los agujeros negros y terminaría, también, por producir rayos X. Juntas, la luz infrarroja procedente de las primeras estrellas y los rayos X emitidos por la materia atraída por los agujeros negros, producirían los mismos efectos que los científicos han observado en los brillos en CIB y el CXB.

De vez en cuando, además, alguno de estos agujeros negros primordiales pasaría lo suficientemente cerca de otro como para ser capturado por su gravedad y formar un sistema binario. Durante eones, los dos agujeros negros de esos sistemas binarios se orbitarían mutuamente, para terminar fundiéndose en uno solo, como el encontrado el año pasado por los detectores LIGO.

“Las futuras observaciones de LIGO -afirma Kashlinsky- nos dirán mucho más sobre la población de agujeros negros en el Universo, y no hará falta demasiado tiempo para saber si el escenario que propongo se sostiene o no”.