Especial pregunta a HdC: La materia y la energía oscuras

¿Qué es la materia oscura? ¿Qué es la energía oscura?

– vía HdC por Ununcuadio

Esta pregunta es parte de otra, que el ser humano se ha formulado desde que tuvo uso de razón. ¿De qué está hecho el Universo? sería la pregunta global. A este respecto sabemos algunas cosas, como por ejemplo que los objetos están construidos a partir de una unidad fundamental de materia que ya los griegos (específicamente Demócrito) denominaron como átomos. No obstante, lo que conocemos corresponde a solamente un 4,5 % del contenido del Universo. Lo desconocido se denomina como materia oscura, que corresponde a un 22,5 %, y el resto (73 %) pertenece a la llamada energía oscura. El término oscuro se refiere a que no emiten luz pero se podría aplicar también a nuestra ignorancia al respecto, ya que sabemos muy poco de lo que se trata. Pero no desesperes, pues tenemos algunos pequeños indicios.

Empecemos con la energía oscura, y para tratar de entender su significado debemos trasladarnos hacia el inicio del universo, es decir 13.700 millones de años hacia el pasado. En ese momento fue cuando ocurrió el evento conocido como Big Bang, un proceso de inflación monumental que dio el origen a todo. Si damos un salto monumental en el tiempo, fueron Georges Lemaitre y  Edwin Hubble quienes entre 1927 y 1929 demostraron la expansión del universo, que daría origen a la idea del Big Bang. Además, si recordamos que la gravedad es una de las fuerzas fundamentales del universo, que es la responsable de mantenernos sujetos a La Tierra, de mantener a los planetas en sus órbitas, y que en general, es una fuerza atractiva que se constituye en una especie de pegamento cósmico. La gravedad, entonces, hace que los objetos se atraigan entre sí (o caigan, en el caso de La Tierra). Estos dos parámetros son la clave de lo que sabemos (o creemos saber) acerca de la energía oscura.

Pensando en como la gravedad afecta al universo, los astrónomos sugirieron que la velocidad de expansión del universo debería estar en franca disminución ya que la materia se ve atraída por toda la demás materia (estrellas, galaxias…), y en consecuencia en algún momento el universo debería detenerse y eventualmente volver al punto inicial debido a una compresión, en una especie de Big Bang reverso. Sin embargo, en 1998 se descubrió que la expansión del universo no se está haciendo más lenta, sino que está acelerándose. Con este motivo, en el año 2011 se asignó el premio Nobel de Física a los investigadores norteamericanos Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt y Adam G. Riess por su “descubrimiento de la expansión acelerada del universo a través de las observaciones de supernovas distantes”. En efecto, el universo se expande cada vez más rápido de lo cual nunca habríamos esperado. ¿Cómo es esto posible? Según la Relatividad General de Einstein debería existir un material extraño (oscuro) con propiedades de gravedad repelente, que separe las cosas en lugar de acercarlas. Este material extraño es necesario para lograr la aceleración. Y si existe una aceleración, tiene que necesariamente deberse a alguna fuerza misteriosa. A la energía que produce esta fuerza, por ahora totalmente incomprendida, le llamamos energía oscura.

Con respecto a la materia oscura, comencemos con otra pregunta: ¿Cómo sabemos que esta ahí? La respuesta es que hemos detectado los efectos gravitacionales que causa en la materia visible, como son las estrellas o galaxias, así como también sobre el fondo de microondas presente en el universo. 

La Vía Láctea. En azul se representa un hipotético halo de materia oscura. Fuente: ESO.

Una pista importante para deshacer el embrollo nos la da el Sistema Solar. Si partimos desde el principio, los planetas del Sistema Solar están en equilibrio en una órbita alrededor del Sol. Para ser específicos existen tres variables que deben estar balanceadas en forma conjunta: la masa del planeta, su distancia a la estrella, y la velocidad con que el planeta gira alrededor de dicha estrella. Esto conforma un principio general de la física denominado ley de conservación del momento angular (o momento cinético). Esta ley se aplica a todas las cosas independiente de su tamaño, ya sean átomos o galaxias. Suena un poco confuso, pero es simple, la palabra clave en este asunto es equilibrio.

Así como en nuestro Sistema Solar los planetas guardan cierto equilibrio entre su distancia al Sol, su masa y su velocidad orbital, de la misma forma las estrellas contenidas en la Vía Láctea, nuestra galaxia, y todos los cuerpos celestes, nebulosas y materia en todas sus formas, también deberían cumplir ese mismo balance entre su distancia al centro de la galaxia, su masa y la velocidad orbital. El problema surge cuando nos alejamos del centro de la galaxia, porque pareciera que la ley deja de ser válida. Sin embargo, como todo se encuentra en equilibrio, la solución al problema necesita la existencia de cierta masa “invisible”, que hace que los cálculos concuerden perfectamente con la ley. A esta cantidad de masa, que creemos necesaria, pero invisible a todos nuestros intentos, la llamamos materia oscura. Además este tipo de materia debe estar formada por algo diferente a los átomos (protones, neutrones y electrones); de hecho las partículas de materia oscura casi no interactúan con la materia normal, y tampoco con otras partículas de materia oscura, lo que la hace más extraña aún. Debido a esta propiedad las hipotéticas partículas de materia oscura se denominan WIMPS (por su sigla del inglés: weakly interacting massive particles; «partículas masivas que interactúan débilmente”). Estas partículas no se pueden ver directamente, no emiten radiación electromagnética y tampoco reaccionan enérgicamente con el núcleo de los átomos. En definitiva la materia oscura sería la responsable de que las galaxias se agrupen en grupos (cúmulos) a pesar de que el universo se encuentra en continua expansión.

Otra explicación (menos estandar) viene de la mano de la teoría de las supercuerdas, que de llegar a ser cierta, postula que la materia oscura podría consistir en la siguiente vibración de las supercuerdas. Todo lo que miramos a nuestro alrededor (átomos, fotones) no es otra cosa que la manifestación de la vibración más baja de las supercuerdas. La materia oscura podría ser el siguiente conjunto más alto de vibraciones.

De todas formas, una buena analogía para la materia oscura dice que se trata de algo así como el caldo que mantiene pegados a los fideos dentro de tu sopa. Eso sí, para el caso, el caldo es invisible y de origen misterioso.

Alexis Hidrobo

Nota: La viñeta del  Universo inflacionario fue tomada del magnifico Blog de divulgación con dibujos: http://lacienciaconhumor.blogspot.com/2012/

Para saber más:

• Lucy y Stephen Hawking. El origen del Universo, una nueva aventura por el Cosmos. Random House Mondadori. S. A. Bogotá,D.C. Colombia. 2012.
• MIchio Kaku. Física de lo imposible. Random House Mondadori. S. A. Bogotá,D.C. Colombia. 2010.
• Revista muy interesante. Enigmas de la ciencia. Número 321. Junio 2012.
• Revista National Goeographic Kids. Fuerzas oscuras que nos rodean. Diciembre 2008.

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