El peso de la ausencia

15/07/2017

Para que las ecuaciones de la física gravitacional que conocemos describan correctamente el movimiento de las estrellas en las galaxias, y de cúmulos de galaxias, es necesario añadir materia que no somos capaces de detectar con ningún telescopio en ningún rango del espectro electromagnético, esa es la Materia Oscura.

“Sabía quién era esta mañana, pero he cambiado varias veces desde entonces.”

Lewis Carroll

El mayor enigma que enfrenta la física de principios del siglo XXI es entender la paradoja gravitacional que ha llevado a los astrofísicos a proponer la existencia de la Materia Oscura y la Energía Oscura. Durante las últimas décadas, los científicos han apilado una cantidad sobrecogedora de datos a escalas astronómicas que indican o bien que las teorías gravitacionales existentes requieren modificación o bien el 25% de la materia en el Universo no se nos ha revelado de manera evidente, así como el 70% de la energía que explicaría su expansión acelerada.

Modificar una teoría exitosa, como las de Newton y Einstein está muy lejos de ser tarea fácil. Para proponer una nueva teoría, debes probar que tu nueva idea funciona igual o mejor en todas situaciones en las cuales las actuales han probado ser muy efectivas. Más aún, no puede contradecir principios fundamentales como las leyes de la termodinámica o la justificación tendría que ser monumental. Si la teoría novel es sólo válida en regímenes de altas energías o largas distancias, por ejemplo, debes probar que en el límite de bajas energías recuperas a las otras propuestas existentes que son exitosas en esos límites. Por ejemplo, las ecuaciones clásicas de movimiento se obtienen a partir de la Relatividad Especial o de la Relatividad General en el límite de velocidades bajas y de campos gravitacionales débiles. La Relatividad Especial está perfectamente de acuerdo con el electromagnetismo clásico. Einstein nunca hubiese sido tomado en serio sin esas características en sus teorías.

Existe la creencia en algunos círculos críticos de la creación de conocimiento, de que las teorías adquieren statu quo. Y puede que no estén del todo equivocados, sin embargo, no es menos cierto que este comportamiento está plenamente justificado. Siglos de datos experimentales no se tiran por la borda de un día para otro. Diseñar y montar experimentos para comprobar teorías es sumamente costoso, de modo que va a ser muy difícil convencer a los físicos de hacer experimentos sobre tu propuesta innovadora, si ésta no se ve suficientemente razonable. Entonces, la posibilidad de encontrar una nueva teoría de la gravitación está siempre abierta, pero no es nada trivial; de hecho, existen algunas propuestas que ya han capturado la atención de la comunidad científica, como la “Dinámica de Newton Modificada” (MOND)1 o la gravedad de Verlinde2. Sin embargo todavía ninguna se ajusta a la cantidad abrumadora de datos que apuntan a la existencia de la Materia y Energía Oscura, por lo que esta hipótesis sigue dominando.

En lo que sigue, voy a dedicarme a explicar el origen y estatus de la Materia Oscura. Sobre la Energía Oscura ya escribí aquí.

En 1933, el astrónomo búlgaro Frank Zwicky, se dio cuenta de que un enjambre de galaxias ligadas por gravedad al cúmulo “Coma” se movían demasiado rápido y que, para explicar este comportamiento, era necesario añadir materia no luminosa a las ecuaciones. Esta observación aparentemente aislada para la época no tuvo mucha penetración en la comunidad científica. Más adelante, la astrofísica americana Vera Rubin, llegaría a una conclusión similar estudiando el movimiento de las estrellas dentro de las galaxias de espiral. La cantidad de datos recolectados por ella fue tan contundente que no quedó dudas sobre la existencia de una paradoja entre las descripciones gravitacionales y la cantidad de materia observada.

Para que las ecuaciones de la física gravitacional que conocemos describan correctamente el movimiento de las estrellas en las galaxias, y de cúmulos de galaxias, es necesario añadir materia que no somos capaces de detectar con ningún telescopio en ningún rango del espectro electromagnético, esa es la Materia Oscura.

La evidencia sobre la existencia de esta misteriosa sustancia no solamente es rica en volumen de datos sino que se aprecia a diferentes escalas del universo. A distancias galácticas, de cúmulos de galaxias, de espacio profundo (donde las galaxias se ven como puntos) y a nivel cosmológico.

Evidencia de Materia Oscura a lo largo y ancho del Universo

A escala cosmológica, se puede percibir la radiación residual del Big Bang a través del fondo de radiación cósmica de microondas (CMB). Este ruido de fondo no es uniforme, y sus variaciones o “anisotropías” están ligadas a la distribución de materia en el universo. El estudio de las anisotropías que aparecen en el mapa CMB ha conducido a una determinación de la cantidad de materia, con los modelos actuales, que no es acorde con la abundancia estimada de materia ordinaria. Para poder explicar el CMB, con las observaciones más recientes del telescopio Planck, es necesario añadir materia oscura.


Fondo de radiación cósmica de microondas (CMB). Imagen: Colaboración Planck y Agencia espacial Europea. La colaboración Planck usa los resultados de este mapa para estimar la cantidad de materia oscura que, en principio, habría en el Universo.

Por otro lado, en los procesos de formación de grandes estructuras en el Universo, a distancias del orden de cientos de millones de años luz, donde las galaxias son puntos que llenan el espacio formando supercúmulos, filamentos y entramados, es necesario añadir materia oscura para explicar su evolución. Los modelos que intentan predecir cómo lucen esas superestructuras tal como se ven actualmente, se ajustan bien si se agrega materia oscura.


Mapa de Universo a largas escalas. Simulación en supercomputadora que muestra el escenario del espacio profundo a escala de 50 millones de años luz. Aquí los puntos brillantes no son estrellas, son galaxias. Andrew Pontzen, Simeon Bird, Hiranya Peiris, Licia Verde, “Constraints on ionising photon production from the large-scale Lyman-alpha forest” (2014), DOI: 10.1088/2041-8205/792/2/L34, arXiv:1407.6367 [astro-ph.CO]]

Más evidencia proviene del estudio de lentes gravitacionales. Hay regiones del espacio donde la presencia de materia oscura puede explicar las distorsiones producidas en las galaxias, por la cantidad de materia que, en principio, debería estar distribuida en esas regiones.


Esta imagen compuesta muestra el cúmulo de galaxias 1E 0657-56, formado después de la colisión de dos grandes conglomerados de  galaxias. El gas caliente detectado por el telescopio de rayos X “Chandra”, representado por el color rosado, contiene la mayor parte de la materia ordinaria.  Las regiones en azul muestran donde debería estar la mayor parte de la masa según efectos gravitacionales (usando la técnica de los lentes gravitacionales). La mayoría de la materia, en el lado azulado, está claramente separada de la ordinaria (región rosada) y no es observable directamente. La mejor explicación de la que se dispone es que allí hay Materia Oscura. Imagen cortesía: Colaboración Chandra, Universidad de Harvard.

Sobre cómo darle forma a lo desconocido

Los físicos no saben qué es exactamente la materia oscura, pero sí tienen una muy buena idea de lo que no es. Así, estudios astrofísicos y de física subatómica van añadiendo restricciones y dando forma a los modelos.

Las observaciones hechas con el telescopio Chandra indican que las interacciones entre partículas de materia oscura serían muy débiles, en general deberían ser partículas muy estables. Esto se entiende a partir del estudio de la evolución de la materia y su distribución en el espacio. Tampoco pueden ser muy masivas, de lo contrario formarían aglomeraciones por gravedad y eso no se observa.

En el caso de los modelos que se ajustan las observaciones del CMB y de las simulaciones de la estructura del Universo a grandes distancias, se requiere que la materia oscura añadida sea “fría” o “no-bariónica”. Esto es, esencialmente, que no es de la misma naturaleza que la materia encontrada en los núcleos atómicos (bariónica).

Existe una cota inferior a la masa, esta proviene de la estimación de toda la cantidad de materia que se pueda acumular, en teoría, en una pequeña región del espacio. En caso de ser de carácter bosónico como el fotón, por su definición, se puede acumular mucho, pues los bosones pueden ocupar la misma región del espacio. Entonces, para los bosones, la estimación utilizando datos astronómicos arroja que debería ser mayor o igual a los  10^{-22} electrón Voltios. Si es un fermión, es decir que cumple con el principio de exclusión de Pauli, debe ser mayor o igual que 0.7 kilo electrón Voltios. Para tener una idea de las magnitudes, podemos comparar con la masa del electrón, ésta es 0.5 mega electrón Voltios3.

Actualmente, los científicos instalan observatorios capaces de detectar en todo el espectro electromagnético: desde las ondas de radio, microondas, infrarrojo, visible, ultravioleta, rayos X y rayos gamma. La observación con estos equipos provee imágenes distintas de los mismos objetos celestes o regiones del espacio. De modo que es posible extraer información complementaria en cada caso. Ninguno de estos equipos astronómicos ha sido capaz de detectar directamente a la materia oscura. Esto es, la materia oscura no absorbe ni emite luz en ningún rango del espectro electromagnético. Más aún, la evidencia acumulada de su existencia ha provenido exclusivamente de las interacciones gravitacionales, no se tiene ninguna evidencia de que la materia oscura interactúe a través de las otras fuerzas: fuerte, débil y, definitivamente, no electromagnética. Ninguna partícula del modelo estándar comprende a la materia oscura. Ninguna. De modo que si la Materia Oscura existe, está más allá del Modelo Estándar.

Candidatos a materia oscura hay decenas, esta área de la física es un patio de juegos fascinante. Estamos hablando de la frontera de la física. Los más populares son los WIMP: partículas masivas de interacción débil  (en inglés: weakly interacting massive particles). Entre ellos, de los favoritos para los físicos teóricos de altas energías son las partículas supersimétricas ligeras-LSP.  Sin embargo, los experimentos en el gran colisionador de hadrones (LHC) no muestran rastro de estas partículas, lo que ha producido menos confianza en el modelo. Aunque los físicos de partículas no pierden esperanzas de hallar supersimetría.

Tanteando en la oscuridad

El anhelo por resolver este enigma es propulsor del levantamiento de los más finos experimentos del siglo XXI. Hay detectores instalados en satélites, y en tierra.  Menciono aquí a los más destacados.

El  Telescopio de rayos gamma Fermi de la NASA es uno de los instrumentos más finos y modernos orbitando nuestro planeta. Este equipo está diseñado para detectar fotones gamma de alta energía, galácticos y extragalácticos. Si la materia oscura, efectivamente, consiste de WIMPs, las reacciones de aniquilación entre ellas deberían producir, otras partículas, entre otras, fotones gamma4 .

El CERN ha puesto en marcha recientemente el instrumento NA64. Este equipo está diseñado para detectar un candidato a materia oscura denominado “fotón oscuro”.  Siendo la materia oscura una sustancia que está más allá del modelo estándar, no se descarta la posibilidad de que exista una quinta fuerza o “fuerza oscura” responsable de sus reacciones con sigo misma y con la materia ordinaria. De modo que debe existir un bosón transmisor de esa fuerza y ese sería el “fotón oscuro”.

La Estación Espacial Internacional lleva anclado un equipo de detección de rayos cósmicos, diseñado y ensamblado en el CERN, para investigar materia oscura, entre otras cosas. Se llama: Espectrómetro Magnético Alfa (AMS). En un informe reciente, que recoge el análisis de 5 años de mediciones, los científicos exponen resultados impresionantes. Entre otros, el estudio del flujo de los positrones revela un comportamiento que tiene una buena interpretación en términos de los modelos que incluyen materia oscura.

Uno de los proyectos más interesantes que será puesto en marcha este año es el LZ5. Enterrado en el  Instituto Subterráneo de Investigaciones Sanford en Dakota del Sur, este delicado instrumento intentará detectar interacciones sumamente débiles entre materia oscura galáctica y materia ordinaria.

Identificar, detectar directamente y entender la naturaleza de la materia oscura es uno de los retos más grandes de la física del siglo XXI. Es posible que no exista y que una nueva y satisfactoria teoría de la gravitación sea encontrada, pero, mientras tanto, esto es lo mejor que tenemos.

  1. M. Milgrom, “A modification of the Newtonian dynamics as a possible alternative to the hidden mass hypothesis”, Astrophys. J. 270, 365 (1983) []
  2. E. Verlinde, “On the origin of gravity and the laws of Newton”, DOI: 10.1007/JHEP04(2011)029 []
  3. M. Lisanti, “Lectures on Dark Matter Physics”, arXiv:1603.03797.v2 []
  4. Recientes estudios en el tema Fermi collaboration, Dan Hooper []
  5. El nombre LZ proviene de la unión de dos experimentos LUX : Large Underground Xenon, en español: Contenedor Gigante Subterráneo de Xenón.   y ZEPLIN : ZonEd Proportional scintillation in LIquid Noble gases, en español sería: detector proporcional de centelleo en gases nobles líquidos []

Fuente: http://browniana.com/peso-de-la-ausencia/#more-2954

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