En los temas que hemos tratado en otros trabajos, la protagonista ha sido la “hipotética” materia y energía oscura que, según algunos modelos supone el 90% de la materia que compone el universo. El tema dio pie a opininiones y algún debate que principalmente llevaron adelante Kike y Fandila que, con sus indudables conocimientos y formas de aplicar la lógica, nos llevan de la mano, con alguna metáfora incluída, a que podamos comprender mejor como son las cosas que, no siempre, coinciden con la realidad que algunos nos dibujan. Y, nuestra obligación, aunque el dibujo sea hermoso, armonioso y hasta placentero, debemos desconfiar, y, tomarlo, tan sólo como algo posible, algo que podría ser pero que de momento no es. Acordaos de aquel sabio que nos dijo: Todas las cosas son”. Con aquella simple frase, elevó a las “cosas” a la categoría de ser. Claro que las cosas a las que se refería estaban allí y podíamos contemplarlas. Por el contrario, la “materia oscura” nadie la vio nunca, es algo imaginario y supuesto que, al parecer, nos señalan algunos indicios observados, por lo demás, nada podemos concretar de ella.

Nuestro Universo es tan complejo que, seguramente, todo lo que hemos podido saber de él, es sólo una pequeñísima parte de lo que es. Quizá el inmenso trabajo y esfuerzo, el ingenio de muchos, la intuición de algunos, la genialidad de unos pocos, el avance, costoso avance en el campo de las matemáticas, todo ello unido como un todo, nos ha traído hasta aquí, un momento en el que, se podría decir sin temor a equivocarnos que estamos en la línea de partida para comenzar el camino hacia más grandes logros. Creerse más que eso, sería engañarnos a nosotros mismos, dado que, la cruda realidad es que sabemos menos de lo que creemos y decimos que sabemos.

Arriba contemplamos la conocida y familiar imagen de una Galaxia y, si alguien nos preguntara como pudieron formarse las galaxias, la verdad sería que, no tendríamos contestación para esa pregunta. ¿Cómo es posible eso a estas alturas? Pués porque lo que podemos resumir de la moderno visión del universo se podría limitar a dos breves afirmaciones: Primera; el universo ha estado expandiéndose desde que se formó, y en el proceso ha evolucionado desde las estructuras simples a las complejas. Segunda: la materia visible en el universo está organizada jerárquicamente: las estrellas agrupadas en galaxias, las galaxias en cúmulos y los cúmulos en supercúmulos. El problema al que nos enfrentamos por tanto, es comprender como un universo  cuya evolución está dominada por la primera afirmación, puede llegar a tener la estructura descrita en la segunda afirmación.

El problema de es explicar la existencia de la galaxias ha resultado ser uno de los más espinosos de la cosmología. Con todo derecho no deberían estar ahí y, sin embargo, ahí están. Es difícil comunicarl el abismo de frustración que este simple hecho produce entre los científicos. Una y otra vez han surgido nuevas revelaciones y ha parecido que el problema estaba resuelto. Cada vez la solución se debilitaba, aparecían nuevas dificultades que nos transportaban al punto de partida.

Cada pocos años, la American  Physical Society, la Asociación Profesional  de físicos, tienen una sesión en una de sus reuniones en la que los Astrofísicos hablan de los más nuevos métodos de afrontar el problema de las galaxias. Si te molestar en asistir a varias de esas reuniones, dos son las sensaciones contradictorias que te embargan: Por una parte sientes un gran respeto por la ingenuidad de algunas propuestas que son hechas “de corazón” y, desde luego, la otra sensación es la de un profundo excepticismo hacia las ideas que proponían, al escuchar alguna explicación de cómo las turbulencias de los agujeros negros, las explosiones durante la formación de galaxias, los neutrinos pesados y la materia oscura fría resolvía todos aquellos problemas.

Lo cierto es que, a pesar de lo que se pueda leer en la prensa en comunicados oficiales, todavía no tenemos ese “bálsamo milagroso” que nos permita responder a una pregunta simple: ¿Por qué está el cielo lleno de galaxias?

Es cierto, el cielo está lleno de cúmulos de galaxias y nosotros, tratando de saber de su presencia allí, hemos llegado a conseguir eliminar muchas de las respuestas equivocadas. Podemos estar ahora mucho más cerca de la verdad de lo que lo estábamos antes. Pero, de ninguna manera sería bueno que nos dejemos adormecer por la credulidad de los postulados modernos que parecen “sacados de la manga” del jugador cosmológico, para que la partida salga redonda. Claro que, una cierta dosis de excepticismo no implica que no podamos aceptar como probables y ciertas, algunas de las ideas generales implícitas en las soluciones propuestas que podrían, al final de todo el camino, ser parte de la solución que buscamos.

Formalmente podríamos exponer aquí al menos cinco razones para tratar de justificar el por qué, las galaxias, no deberían estar ahí presentes.

1º) Las Galaxias no pueden haberse formado antes que los átomos. No es un asunto trivial. Durante muchísimos años se estuvo tratando de entender este proceso, comenzando con ideas mágicas, hasta que a principios del siglo 19 se empezó a a comprender como funcionan las estrellas y el Universo.

Es un proceso algo complicado, por eso se tardo tanto en reconocerlo. En este momento la mejor teoría que explica el Universo es que comenzó con el Big-Bang, la explosión inicial que dio origen a todo. En la explosión, de origen todavía incierto, había pura energía, y al expandirse se fue enfriando, como lo haría cualquier gas. Al llegar a un nivel de energía un poco mas bajo del inicial, se pudieron condensar de la energía las primeras partículas elementales (protones, neutrones, etc). Esto ocurrió en los primeros minutos. La famosa ecuación de Einstein E = mc² al cuadrado, implica que se puede transformar materia en energía, como en un reactor nuclear, y también la energía puede condensarse en materia, como en este caso. A los 300 mil años, el nivel de energía fue lo suficientemente bajo como para permitir la formación de los primeros átomos.

La existencia protones, electrones y neutrones dispersos, que cuando se juntaron fue para formar los elementos químicos mas elementales: Hidrógeno, Helio y algo de litio. Nada mas se formo, en la proporción de 75% de hidrogeno, casi 25% de helio, y trazas de los otros elementos.

Aquella primera “sopa de plasma primordial” posibilitó que se juntaran protones y neutrones para formar el elemento más simple del Universo: El Hidrógeno,

Así, podemos partir de la base cierta de que, hasta donde sabemos, podemos pensar en el Universo durante aquellas primeras etapas de la expansión de Hubble estaba formado por dos únicos constituyentes: materia y radiación. La materia sufrió una serie de congelaciones al construir  gradualmente  estructuras más y más complejas. A medida que tienen lugar estos cambios en la formación de la materia, la manera en que interaccionan, materia y radiación cambian radicalmente. Esto, a su vez, desempeña un papel fundamental en la formación de galaxias.

La luz y otros tipos de radiación interaccionan fuertemente con partículas libres eléctricamente cargadas, del tipo de las que existían en el plasma que constituía el universo antes de que los átomos se formara. A causa de esta interacción, cuando la radiación se mueve por este plasma, colisiona con partículas, rebotando y ejerciendo una presión del mismo modo que las moléculas de aire, al rebotar sobre las paredes de un neumático, mantienen el neumático inflado. Si se diese el caso de que una conglomeración de materia del tamaño de una galaxia tratase de formarse antes de la congelación de los átomos, la radiación que traspasaría el material habría destruído el conglomerado, y, la radiación tendería a quedar atrapada dentro de la materia. Si tratase de salir, sufriría colisiones y rebotaría.

2º) Las galaxias no tuvieron tiempo de formarse. La Gravedad es la gran fuerza desestabilizadora del Universo, Nunca lo abandona del todo; siempre está actuando tratando de unir trazos de materia, En cierto sentido, la historia entera del Universo se puede pensar como un último y futil intento de superar la Gravedad.

Sería asombroso, dada la naturaleza universal de la fuerza gravitatoria, que no hubiera desempeñado un papel importante en la formación de las galaxias. Escribir sobre este apartado nos llevaría a tener que explicar muchas implicaciones que están presentes en la dinámica del universo en relación a la materia. De todas las maneras que la queramos mirar, la sensación que percibimos es la de que, en aquellos primeros momentos, podía existir “algo” (no sabemos qué) que generaba también, como la materia bariónica normal, fuerza gravitatoria.

        Inmensas turbulencias que generaban fuerzas eléctricas y moldeaba la materia y todo el entorno

3º) La turbulencia tampoco nos vale. El Impulso a través de la turbulencia es una idea simple, cuyas primeras versiones fueron aireadas alrededor de 1950. El postulado es: cualquier proceso tan violento y caótico como las primeras etapas del Big Bang no será como un río profundo y plácido, sino como una corriente de montaña, llena de espuma y turbulencias. En este flujo caótico podemos esperar encontrar remolinos y vórtices de gas. Lo cierto es que, en este maremagnun, era de todo punto imposible que las galaxias se pudieran formar.

4º) Las Galaxias no han tenido tiempo para formar cúmulos. Quizá estamos encontrando dificultades porque consideramos el problema de las galaxias desde un punto de vista muy estrecho. Quizá lo que deberíamos hacer es ver las cosas en una escala más grande y esperar que si entendemos como se forman los cúmulos de galaxias, la génesis de las galaxias individuales, se resolverá por sí misma. La idea nos conduce naturalmente a la cuestión de cómo se pueden haber formado concentraciones muy grandes de masa al comienzo de la vida del universo. Una de las ideas más sencillas sobre como puede haber sido el universo cuando los átomos se estaban formando es que no importa lo que estuviese pasando, la temperatura era la misma en todas partes. Este se llama modelo isotérmico.

Explicar aquí las implicaciones matemáticas a que nos llevaría explicar el modelo isotérmico, estaría bien pero, no parece imprescindible para finalizar este trabajo que, de manera sencilla, sólo trata de explicar que, las galaxias no se pudieron formar conforme a lo que hemos observado y sabemos del Universo, algo nos falta por saber y, alguna fuerza “oculta” debería haber estado allí presente para evitar que, la materia se dispersara con la expansión de Hubble y las galaxias se pudieran formar.

5º) Si la radiación marcha junto con la materia y la materia con las galaxias, la radiación de microondas cósmicas sería contradictoria. Si la radiación no se hubiera dispersado uniformemente, con independencia de la materia del universo, ¿dónde hubiera estado? siguiendo el procedimiento normal de la física teórica, consideraremos a continuación la tesis opuesta.

Supongamos que en el comienzo del universo materia y radiación estaban unidas. Si era así, allí donde se encontrara una concentración de masa, también habría una concentración de radiación. En la jerga de la Física se dice que esta situación es “adiabática”. Aparece siempre que tienen lugar en las distribuciones del gas cambios tan rápidos que la energía no puede transferirse fácilmente de un punto al siguiente.

Sabemos que,  para hacer galaxias,  la materia del universo tuvo que estar muy bien distribuída en agregados cuando se formaron los átomos. Pero, todo este resultado choca con uno de los hechos más notables del universo que conocemos. Si consideramos la radiación de microondas, que llega hasta nosotros desde la dirección del Polo Norte de la Tierra, y luego nos volvemos y miramos la radiación que viene  del Polo Sur, encontramos que son casi completamente idénticas. De esta notable uniformidad se deduce que cuando la radiación se despareja de la materia deberá de estar muy uniformemente distribuida por todo el universo.

El resultado final es este: lo que el proceso de formación de galaxcias requiere del entorno de microondas y lo que observamos de su uniformidad son cosas diametralmente opuestas. Lo primero requiere radiación para ser reunida con la materia; así, si la materia estuviera agrupada cuando los átomos se formaron, habría trazas de esa agrupación en el fondo cósmico de microondas de hoy.

Por otra parte, la uniformidad observada en el entorno de microondas implica que la radiación nunca podría haber estado tan agrupada; si lo hubiera estado, hoy no sería uniforme. Cuando se hacen detallados cálculos numéricos, los astrofísicos encuentran que es imposible conciliar estas dos exigencias en conflicto. La radiación de microondas no puede ser uniforme y no uniforme al mismo tiempo.

Todos los razonamientos anteriores nos llevan a pensar y demuestran muy claramente que, no podemos dar por supuesto un universo lleno de galaxias y, si de hecho lo está, debemos buscar la causa real que lo hizo posible. Explicar ese universo ha sido mucho más difícil de lo que muchos llegaron a pensar y, como se dice en el título de este trabajo, no tenemos una explicación, ni las razones de peso que justifiquen la presencia de las galaxias.

¿Qué había y estaba presente en el comienzo del Universo, que nosotros desconocemos pero que, hizo posible que las galaxias se pudieran formar?

Yo no lo se.

Estamos de nuevo en el punto de siempre: Nuestros conocimientos son limitados. Nuestra ignorancia… ¡Infinita!

emilio silvera

Un equipo internacional de investigadores está a punto de poner a prueba una hipótesis “sacrílega” sobre la naturaleza de los protones, uno de los “ladrillos” fundamentales del Universo. Si tienen razón, no habría más remedio que reescribir, prácticamente desde cero, lo que sabemos, o creíamos saber, sobre la estructura íntima de la materia.

Los experimentos, que ya se están llevando a cabo en Estados Unidos, tratarán de demostrar que los protones pueden sufrir cambios en el interior del núcleo de un átomo en determinadas condiciones. Algo que se considera impensable, ya que estas partículas están entre las más estables de todo el Universo. Tanto, que se consideran, virtualmente, eternas.

Dirigido por Anthony Thomas, de la universidad australiana de Adelaida, el equipo de científicos acaba de publicar sus predicciones en Physical Review Letters y ArXiv.org. Si al final se demuestra que están en lo cierto, una enorme cantidad de trabajos y experimentos llevados a cabo durante las últimas décadas deberán ser revisados a fondo.

“Para la mayoría de los científicos -explica Thomas- la idea de que la estructura interna de los protones pueda variar en determinadas ciscunstancias resulta absurda, incluso sacrílega. Pero para otros, igual que para mi, la evidencia de ese cambio interno ayudaría a explicar algunas de las inconsistencias de la Física Teórica.”

¿Pero qué significa exactamente que los protones puedan cambiar su estructura interna? Para nuestra vida diara, prácticamente nada, pero en los campos de la Física nuclear y la Física Teórica sería una auténtica revolución que lo cambiaría todo. Para entenderlo, veamos primero de qué está hecho un protón.

           Estructura interna del núcleo y sus nucleones

A pesar de que son extraordinariamente pequeños y constituyen una parte fundamental de los núcleos atómicos, los protones están, a su vez, formados por otras partículas, los quarks, que permanecen estrechamente unidas entre sí gracias a la acción de los gluones, partículas que, como un pegamento, son responsables de la cohesión interna de los núcleos atómicos. Y por lo que sabemos hasta ahora, tanto los protones libres como los que están integrados en átomos tienen, exactamente, la misma estructura.

Pero esa suposición no encaja bien con la Cromodinámica Cuántica, la teoría que describe las interacciones entre quarks y gluones. En base a esa teoría, los protones dentro de los núcleos de un átomo deberían estar sujetos, teóricamente, a cambios bajo ciertos niveles de energía.

Hasta ahora, sin embargo, ha sido prácticamente imposible probar si esos cambios se producen realmente. Pero gracias a los nuevos equipos del acelerador Thomas Jefferson, en Virgina, eso está a punto de cambiar.

“Disparando un haz de electrones contra un núcleo atómico -afirma Thomas- es posible medir la diferencia de energía de los electrones salientes, lo que representa un estado de cambio. Tenemos una predicciones bastante sólidas sobre lo que mostrarán los resultados de estas pruebas, y tenemos la esperanza de lograr una medida definitiva”.

Sean correctos o no, los resultados de Thomas y su equipo constituirán un enorme desafío para nuestra comprensión de uno de los “ladrillos” más importantes del Universo. Y conducirán, sin duda, hacia un mejor entendimiento de la física que se esconde detrás de cada una de las interacciones que se producen a nuestro alrededor.

“Las implicaciones para el mundo científico -concluye Thomas- son enormes. Estamos ante una de las mayores apuestas que se pueden hacer en Ciencia. Y podría representar todo un nuevo paradigma para la Física nuclear“.