Materia oscura

Muchas veces podemos estar oyendo a personas que hablan de cuestiones que no entendemos, se refieren al Universo y sus mecanismos, cosas que ocurren como consecuencia de las fuerzas que lo rigen, como por ejemplo:

Curvatura del espaciotiempo, la Teoría de la Relatividad especial y general, Teoría cuántica, partícula elemental y partícula virtual, Densidad crítica o densidad media de materia, estrella de neutrones, Agujero negro, el Big Bang, el Big Crunch, el Universo plano, abierto o cerrado, la Materia Oscura y, en fin, mil cuestiones más que, la mayoría de las personas, ni han oído hablar de tales cuestiones, o, si lo hizo, no tienen idea de a que se refieren.

Una representación del paraboloide de Flamm, cuya curvatura geométrica coincide con la del plano de la elíptica o ecuatorial de una estrella esféricamente simétrica.

De la ecuación de campo de Einstein (entre otras muchas cosas) nos sale el esquema de la curvatura del espacio-tiempo que se produce en presencia de grandes masas. Ahí, también está encerrado el exótico agujero negro. En esa breve ecuación subyace la inmensidad del Cosmos, de su geometría y configuración. Así que, en el presente comentario, vamos a explicar una serie de cosas que ocurren y están aquí con nosotros en el Universo, e incluso, formar parte de nosotros mismos o hacen posible que podamos estar aquí.

                   ¿Que haríamos, por ejemplo, sin la Gravedad que nos mantiene bien unidos a la superficie del planeta Tierra?

Imagen abstracta que representa la velocidad de la luz mediante una curva de rayos coloridos convergiendo juntos sobre un fondo negro.

 ¿Por qué la velocidad de la luz es el límite que impone el Universo a la materia para moverse?

El comienzo de este comentario, está lleno de preguntas y, podríamos llenar muchas páginas preguntando sobre las infinitas cuestiones que no conocemos. Es un hecho comprobado que, nuestra ignorancia es grande, tan grande como el Universo mismo pero, como contrapunto, tenemos la Imaginación que, también, como el mismo Universo, es de una inmensidad…

Karl Raimund Popper

No pocas veces he referido aquí las palabras de K. Popper que dijo: “Cuánto más se y más profundizo en el conocimiento de las cosas, más consciente soy de lo poco que se.  Mis conocimientos son limitados, mi ignorancia…,  Infinita.”

No debemos perder de vista esas palabras que expresan un profundo pensamiento. Sin embargo, procuremos reducir esa ignorancia, al menos para que, algún día lejano del futuro, no llegue a ser infinita y se quede en muy grande.  Sería todo un logro poderlo conseguir, ya que, saberlo todo, nunca será posible. La Naturaleza tiene sus resortes para impedir que la descubramos por completo, si tal cosa pasara, sería el principio de nuestro final. Nuestra naturaleza exige y necesita que, siempre, tengamos enigmas que resolver.

Curvatura del Espacio-Tiempo

Hay que entender que el espacio-tiempo es la descripción en cuatro dimensiones del Universo en la que la posición de un objeto se especifica por tres coordenadas en el espacio y una en el tiempo.

De acuerdo con la relatividad especial, no existe un tiempo absoluto que pueda ser medido con independencia del observador, de manera que sucesos simultáneos para un observador ocurren en instantes diferentes vistos desde otro lugar.  El tiempo puede ser medido, por tanto, de manera relativa, como los son las posiciones en el espacio (Euclides) tridimensional, y esto puede conseguirse mediante el concepto de espacio-tiempo.  La trayectoria de un objeto en el espacio-tiempo se denomina por el nombre de línea de Universo.  La relatividad general, nos explica lo que es un espacio-tiempo curvo con las posiciones y movimientos de las partículas de materia.

Intersección de dos planos en un espacio tridimensional. Representación isométrica de dos planos perpendiculares en la Geometría euclidea. Dos mil años más tarde, llegaría Riemann para hablarnos de los espacios curvos y, Einstein lo agradeció mucho.

Hipérboles y espacios curvos que dejaron muy atrás a Euclides

La curvatura del espacio es la propiedad del espacio-tiempo en la que las leyes familiares de la geometría no son aplicables en regiones donde los campos gravitatorios son intensos.  La relatividad general de Einstein, nos explica y demuestra que el espacio-tiempo está íntimamente relacionado con la distribución de materia en el Universo y, nos dice que, el espacio se curva en presencia de masas considerables como planetas, estrellas o Galaxias (entre otros objetos como, los agujeros negros, por ejemplo).

Un aestrella de neutrones puede curvar el espacio que la circunda y, objetos que pasen por allí, serían atraidos hacia ella. Cuando las masas son inmensas (hay estrellas que llegan a tener más de cien masas solares), su final puede desembocar en una singularidad si no existe una fuerza que pueda contrarrestar a la de la Gravedad que esa misma masa genera. Es el caso de las estrellas supermasivas que, a su muerte, explotan en supernovas, forman hermosas e inmensas Nebulosas al expulsar sus capas exteriores y, con la mayor parte del material estelar, al contraerse hasta el infinito, se forma un agujero negro con su singularidad.

En un espacio de sólo dos dimensiones, como una lámina de goma plana, la geometría de Euclides se aplica de manera que la suma de los ángulos internos de un triángulo en la lámina es de 180°.  Si colocamos un objeto masivo sobre la lámina de goma, la lámina se distorsionará y los caminos de los objetos que se muevan sobre ella se curvaran.  Esto es en esencia, lo que ocurre en relatividad general.

En los modelos cosmológicos más sencillos basados en los modelos de Friedman, la curvatura de espacio-tiempo está relacionada simplemente con la densidad media de la materia, y se describe por una función matemática denominada métrica de Robertson-Walker.

Si un universo tiene una densidad mayor que la densidad crítica, se dice que tiene curvatura positiva, queriendo decir que el espacio-tiempo está curvado sobre sí mismo, como la superficie de una esfera; la suma de los ángulos de un triángulo que se dibuje sobre la esfera es entonces mayor que 180°.  Dicho universo sería infinito y se expandiría para siempre, es el universo abierto.

  En la teoría de la relatividad general la dinámica de la expansión del universo viene determinada por la cantidad de masa, o energía, puesto que masa es energía y viceversa. Entre mayor sea la cantidad de masa en el universo mayor será la fuerza de gravedad que actúa en contra de la expansión. Si la cantidad de masa es menor que una cierta densidad crítica (r_c) entonces el universo seguirá en expansión  para siempre. En este caso se dice que el universo es  “abierto” en virtud de la conexión inherente entre geometría y masa sobre la cual se construye la Teoría de la Relatividad General. Si la densidad es superior a la densidad crítica la expansión del universo se frena, alcanza un radio máximo y luego se contrae. En este caso se dice que el universo es “cerrado”. Cuando la densidad es igual a la densidad crítica la expansión se frena cada vez más pero nunca llega a contraerse. Este caso corresponde al de un universo con geometría “plana”.

Un universo de Einstein-de Sitter tiene densidad crítica exacta y es, por consiguiente, espacialmente plano (euclideo) infinito en el espacio y en el tiempo. Ω_m = 1, Ωλ = 0 tendencia a la expansión y la atracción gravitatoria estacionadas en un punto crítico, de un universo plano. Hay otros modelos de universo que nos hablan de universos cerrados o abierto en función de la materia (Ω -omega negro) que contenga, y, otros, como el universo de Sitter sin materia  ni Big Bang donde Ω_m = 0, Ωλ = 1 dominado por la densidad de energía de vacío.

Tenemos nuestro modelo estándar: Ω_M = 0,27 , Ωλ = 0,73

El gráfico quiere representar las líneas de trazos de cómo debería ser la relación entre z y la magnitud en función de diversos valores de densidades para un universo plano. Todos estos modelos de universo que han sido soñados por astrónomos, y astrofísicos o cosmólogos eminentes, no son otra cosa que eso, modelos, pero eso sí, elaborados a partir de unos conocimientos que pueden estar más lejos o más cerca de la realidad pero siempre, basados en hechos e indicios racionales que lo aconsejan.

Es mucho lo que aún nos queda por saber de nuestro Universo. Tenemos aún muchas dudas y aplicamos parámetros que, a veces, no son del todo aconsejables, como por ejemplo, en lo referido a la “mal llamada” materia oscura sobre la que yo, en mi humilde parecer, llamaría a realizar una reflexión:

Si aplicamos la expansión de Hubble, la materia se habría dispersado por el Universo y no hubiera tenido tiempo de formar las Galaxias. De una manera seria los Astrónomos no pueden explicar aún como es posible que se pudieran formar las estrellas primero y las Galaxias más tarde. “Algo” desconocido estaba ya presente en aquellos primeros momentos que hizo posible, a pesar de la expansión de Hubble que las galaxias se pudieran formar. ¿Qué era? nadie lo sabe, sin embargo una fuerza “desconocida” retuvo la materia bariónica para que fuera posible.

El físico Richad P. Feynman (1918 – 1988) hizo contribuciones  importantes a la teoría de la física de partículas, y, él junto con otros muchos, nos dijeron de qué estaba formado el átomo y como funcionaban toda esa pléyade de infinitesimales objetos del que están formadas las galaxiqas y nosotros mismos, pero, sin emabargo, nadie ha sabido explicar, hasta el momento, como fue posible que las galaxias s se formaran a pesar de la expansión de Hubble. ¡Otro misterio!

¿Quizás no hemos finalizado aún de comprender la Gravedad y existe una extensión de la teoría de Eisntein que no hemos llegado a descubrir?

Sin embargo, está muy claro para mí que, antes de la formación de la materia luminosa que emite radiación y que llamamos bariónica (formada por Quars y Leptones), allí tenía que estar presente otra clase de materia o fuerza desconocida que, sin emitir radiación, sí  generaba, en cambio fuerza gravitatoria y, de esa manera, se entiende que se formaran las Galaxias. Algo tiraba de la materia luminosa y no la dejó marcharse hasta que, las estrellas y las galaxias se formaron 200 millones de años más tarde.

Pero, si no podemos ver esa “materia, o, “fuerza” mistriosa y sólo se localiza de manera indirecta la fuerza gravitatoria que genera y que hace que las galaxias se alejen las unas de las otras a mayor velocidad de la que tendrían si sólo estuviera presente la fuerza de Gravedad de la materia formada por los núcleos atómicos y los electrones, entonces, esa materia misteriosa ¿Qués es? ¿De qué clase de partículas está formada? ¿Donde reside? ¿qué exóticas partículas la conforman?

Parece que, la “Materia Oscura” -si finalmente existe-  estaba ya aquí como materia exótica transparente y no luminosa carente de radiaciones pero que, sin embargo, genera la fuerza de gravedad que hace de nuestro Universo lo que es.

Lo que el Hubble vio en la zona del Universo estudiada. Foto: ESA.

Los Astrónomos, Astrofísicos y Cosmólogos la busccan de manera incansable e incluso ahora, se trata de encontrar experimentando bajo tierra. Todos andan a la caza de la Materia Oscura y, en cualquier imagen que nos envíe el Hubble o cualquiera de nuestros ingenios espaciales, ellos, los astrónomos, creen vislumbrar la presencia de esa dichosa materia oscura. ¿Estarán en lo cierto?, o, por el contrario sólo son los enormes deseos de encontrarla los que hacen que vean lo que no está.

¿Nadie ha pensado en la posibilidad de que la mal llamada Materia Oscura esté en otra dimensión? Esa podría ser la explicación a que la búsqueda hasta el momento no tuviera ningún resultado positivo. ¿Y, de estar en otra dimensión, como es posible que incida sobre las galaxias,  situadas en nuestras dimensiones?

Fluctuaciones de vacío que rasgan el espacio-tiempo

La única explicación que encuentro para ello, es que, en esa dimensión, “Casa de la Materia Oscura”, se producen fluctuaciones de vacío que rasgan el espacio-tiempo, y,  a través de esas aberturas espaciotemporales, pasan los gravitones que transportan la fuerza gravitatortoria hasta nuestra parte del Universo, y, precisamente por eso lo único que podemos detectar de ella es la fuerza gravitatoria que genera. Esta “teoría” mía, llegó un  momento que me obseionó tanto que la desarrolle y la registré. Hoy me caben muchas dudas de su autenticidad pero…?quién sabe? Registrada queda.

Claro que, como tantas otras, esta es una teoría más.

Seguiremos informando y comentando sobre cuestiones fascinantes del Universo.

emilio silvera

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