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Descubrimientos sobre el origen del universo y algunas observaciones astronómicas recientes parecen indicar que el universo a gran escala está constituido en su mayoría por una forma de materia aún no observada. Las teorías de las partículas elementales permiten la posibilidad de la existencia de formas de materia en el universo que aun no hemos detectado.

• ¿Cuál es la naturaleza de ésta misteriosa forma de materia?
• ¿Qué posibilidades experimentales existen para su observación?
• ¿Cuál fue el origen de esta hipótesis y qué tan fuerte es la evidencia experimental a su favor?

 

Los astrónomos del siglo XIX se dieron cuenta que la órbita de Urano se desviaba con respecto a los resultados predichos por la mecánica de Newton. En 1846 el astrónomo francés Leverrier postuló la existencia de un octavo planeta (Neptuno) que al ser colocado estratégicamente en una órbita especial explicaría las desviaciones observadas en la órbita de Urano.

Neptuno fue un ejemplo de materia oscura, es decir una forma de materia cuya existencia se postula para resolver un problema relacionado con la interacción gravitacional de un sistema astronómico. Hoy, tanto los astrofísicos (que estudian el macrocosmos) y los físicos de partículas (que estudian el microcosmos) introducen nuevas formas de materia para ayudarnos a explicar observaciones que no concuerdan con las teorías.

La física de partículas elementales y la astrofísica han venido en un proceso de convergencia en el que tanto sus teorías como sus descubrimientos están mutuamente ligados.

• ¿Seguirá la expansión del universo para siempre?
• ¿Cuál es el proceso que genera la energía en las estrellas?
• ¿Cómo se formaron las galaxias?
• ¿Cuáles son los mecanismos que explican la estructura a gran escala del universo?

Las respuestas a estas preguntas fundamentales dependerán de nuestro conocimiento sobre la cantidad y naturaleza de la materia en el universo.

La materia oscura puede ser por ejemplo planetas en otros sistemas solares en nuestra galaxia o en otras galaxias, que por no tener luz propia no los hemos observado. También pueden existir grandes cantidades de masa en el espacio interestelar en forma de nubes de partículas de polvo o gas.

Estos posibles planetas o nubes de gas no observados estarían constituidos por materia normal, es decir por materia hecha de los átomos que aparecen en la tabla periódica. Sin embargo, en el universo pueden existir otras manifestaciones de materia oscura como los famosos agujeros negros o formas más exóticas como algunas partículas cuyos nombres son tan oscuros como su naturaleza: axiones, neutrinos, gravitinos, fotinos, higgs, monopolos magnéticos, WIMPS, etc.

LA MATERIA OSCURA EN EL ORIGEN DEL UNIVERSO

Según el modelo cosmológico estándar el universo comenzó hace aproximadamente 15 mil millones de años en la explosión del espacio a partir de un punto de infinita densidad. No es el único modelo que existe pero si ha salido favorecido gracias a la sólida base experimental que lo sustenta: se han observado la expansión del espacio, la energía remanente del Big Bang (radiación cósmica de fondo), y la abundancia relativa de los elementos livianos en el universo tal como lo predice el modelo.

LA INFLACIÓN

Los físicos Alan H. Guth del MIT y Andrei D. Linde del Instituto Lebedev de Ciencias Físicas de Moscú, desarrollaron la idea de una fase inicial del universo según la cual el universo se origina con la expansión acelerada del espacio. En elmodelo de inflación la densidad de energía en el universo corresponde a la densidad crítica. Si sumamos toda la masa de las galaxias y las estrellas que podemos observar, ésta apenas es el 2% de la densidad crítica el 98% restante puede ser materia oscura o una fuente de presión negativa (llamada constante cosmológica).

FORMACIÓN DE GALAXIAS Y ESTRUCTURA EN EL UNIVERSO

Otra razón para pensar que debe existir materia oscura viene del estudio del proceso de formación de galaxias y cúmulos de galaxias. Nosotros sabemos que la distribución de masa a gran escala en el universo no es completamente homogénea, presenta cúmulos y concentraciones muy densas. Porqué la masa en el universo no está distribuida de forma completamente homogénea como las partículas de gas en un globo?

La materia en el universo no se distribuye como las moléculas en un gas (de lo contrario no existirían galaxias y no estaríamos aquí) sino que se acumula en unos centros formando así las galaxias y los cúmulos de galaxias. El mecanismo que da origen a las agrupaciones de masa observadas es el de colapso gravitacional de grandes nubes de hidrógeno y helio.

La distribución de materia en épocas muy remotas del universo presentaba pequeñísimas fluctuaciones que terminaban produciendo algunas regiones más densas que otras. El universo se enfría a medida que avanza la expansión y eventualmente las regiones más densas reúnen la masa necesaria para formar un sistema que pueda mantenerse como una entidad separada por la acción de su propia atracción gravitacional. A partir de este momento ocurre el colapso gravitacional del sistema el cual terminará en galaxias y estructuras mayores formadas por agrupaciones de galaxias.

Estudiando los catálogos de galaxias los astrofísicos han podido darse una idea sobre cómo están distribuidas en el espacio estas estructuras y basados en lainteracción gravitacional y las leyes de los fluidos en un espacio en expansión se ha calculado qué tan grandes e intensas han debido ser esas fluctuaciones originales en la densidad de la materia. La pregunta sobre cuáles son las características de las fluctuaciones primigenias en la densidad de la materia son muy relevantes, especialmente ahora que contamos con datos originados en la época del universo justo cuando comenzaba el colapso gravitacional. La radiación cósmica de fondo, descubierta por Arno Penzias y Robert Wilson en 1965, es la radiografía del universo cuando éste apenas cumplía sus primeros 700 mil años de edad y el proceso de formación de estructuras apenas comenzaba.

Debido a que la radiación y la materia en el universo temprano estaban en equilibrio térmico, las fluctuaciones en la materia necesariamente producían fluctuaciones en la radiación. Es de esperarse entonces que la radiación cósmica de fondo exhiba pequeñas fluctuaciones o anisotropías en su temperatura.

Las observaciones del proyecto COBE (Observador de la radiación cósmica de fondo) de la NASA lanzado en Noviembre de 1989 han confirmado la existencia de estas anisotropías en el fondo cósmico de microondas. Sin embargo, la amplitud de las fluctuaciones detectadas por COBE resultan ser solo de una parte en cien mil, lo cual es más pequeño de los que esperaríamos si queremos explicar la distribución observada de la materia en el universo a partir de fluctuaciones primordiales. Una manera de resolver este problema es introduciendo materia oscura que interacciona débilmente, de esta forma se tiene la fuente de atracción gravitacional requerida para formar estructuras sin perturbar demasiado el campo de radiación.

Una de las virtudes del modelo inflacionario es que éste explica el origen de las fluctuaciones primordiales en la materia a partir de las fluctuaciones cuánticas del campo que produce la inflación. La propiedad fundamental de las fluctuaciones primordiales predichas por los modelos inflacionarios es que éstas aparecen de igual forma a todas las escalas de longitud. En un análisis que realicé de las anisotropías detectadas por el proyecto COBE basado en las propiedades topológocas de los mapas de radiación pude determinar que las características de las anisotropías de la radiación cósmica de fondo, son consistentes con las propiedades de invariancia de escala predichas por el modelo inflacionario.

LA DINAMICA DE LAS GALAXIAS ESPIRALES

• ¿Dónde puede estar la materia oscura?
• ¿En el centro de las galaxias, o las estrellas?
• ¿En el espacio vacío?

Sobre el lugar donde pueda estar la materia oscura podemos dar algunas respuestas parciales basados en la dinámica de las galaxias y sistemas binarios de estrellas. Sobre la naturaleza de la materia oscura también podemos dar algo de luz basados en la abundancia de elementos químicos livianos en el universo.

 

Para producir un movimiento de rotación es necesario proporcionar una fuerza. Esto lo podemos experimentar al hacer girar una piedra amarrada a un lazo y sentir la tensión de la cuerda con nuestras manos. Razonando de esta forma podemos mostrar que para mantener un objeto en una órbita circular alrededor de un centro, es necesario aplicar una fuerza.

La Tierra por ejemplo se mantiene en órbita alrededor del Sol por la fuerza de atracción entre estas dos masas. Así como en el caso de la Tierra alrededor del Sol, las estrellas en una galaxia del tipo espiral giran alrededor de su centro por la fuerza de atracción gravitacional que proviene de la misma masa de la galaxia.

Gracias a los estudios de la astrónoma norteamericana Vera Rubin, se pudo determinar que la cantidad de masa necesaria para producir el movimiento de rotación de las galaxias espirales es mayor que la masa observada por los telescopios. Nos encontramos una vez más con la necesidad de invocar la presencia de masa oscura. Debe existir en el centro de la galaxia alguna forma de masa que contribuya gravitacionalmente a mantener a la materia en órbita, de lo contrario sus estrellas saldrían por la tangente.

(Galaxia Andrómeda, M31. Foto de Tony Hallas)
 

Un ejemplo de este fenómeno lo encontramos en la galaxia espiral de Andrómeda. Es la galaxia más cercana a la nuestra (excluyendo la nube de Magallanes) y está a solo dos millones de años luz de distancia. Alan M. Dressler del Instituto Carnegie, Douglas O. Rirchstone de la Universidad de Michigan y John Kormendy de la Universidad de Hawaii, han demostrado que en el centro de Andrómeda debe existir una masa de aproximadamente 30 a 70 masas solares para poder explicar su dinámica rotacional.

Si a la materia visible en el universo le sumamos la cantidad de materia oscura necesaria para explicar el movimiento de rotación de todas las galaxias apenas llegamos a un 20% de la masa crítica del universo. ¿Dónde está el 80% restante? Aún quedan razones para seguir buscando materia oscura.

LOS AGUJEROS NEGROS

En imágenes recientemente recibidas por el reparado telescopio espacial Hubble se ha podido recoger evidencia que indica la presencia de un agujero negro en el centro de una galaxia. Estos objetos resultan como producto final de la vida de ciertas estrellas que al quemar todo su combustible entran en un colapso gravitacional que los hace un punto donde la gravedad es tan intensa que ni siquiera la luz puede escapar su atracción. La materia que pueda llegar a las cercanías de un agujero negro sería inmediatamente devorada por éste. En su camino hacia el agujero negro la materia sería acelerada intensamente emitiendo radiación y de esta forma se puede revelar su presencia.

Con respecto a la naturaleza de la materia oscura sabemos que el 80% que todavía nos falta por explicar no puede ser del tipo de materia de la cual se hacen laspartículas pesadas como los protones y los neutrones. La mayor parte de la materia oscura si existe debe ser de la misma naturaleza de las partículas livianas como elelectrón que es responsable de la conducción de la electricidad.

La clasificación de partículas en livianas y pesadas refleja una propiedad más fundamental que tiene que ver con la constitución misma de las partículas. Las pesadas (bariones) como el protón y el neutrón están constituidas por otras partículas fundamentales llamadas quarks. El protón, por ejemplo está hecho de tres de esos quarks. Mientras que las partículas livianas (leptones) son fundamentales en el sentido de no ser compuestas por otras partículas.

¿Por qué la materia oscura no puede ser del tipo de materia bariónica? La respuesta viene de la observación de la abundancia en el universo de los elementos químicos de origen cosmológico como el hidrógeno y el helio. La formación de estos elementos (nucleosíntesis) en el universo ocurrió a los tres minutos después del Big Bang. La proporción exacta de helio producido en la nucleosíntesis depende de la cantidad de bariones disponibles. La observación de la proporción de 20% en helio y 80% en hidrógeno en el universo sólo puede darse si la cantidad de bariones en el universo no es mayor a un 20% de la densidad crítica del universo.

LOS NEUTRINOS MASIVOS

¿Dónde están las partículas livianas (leptones) que se necesitan para completar el 80% de la materia no observada del universo? Los físicos de partículas nos indican que los neutrinos pueden ser estas partículas y que el Sol, por ser una fuente de neutrinos, lo podemos usar como laboratorio para probar esta hipótesis.

Los neutrinos son partículas eléctricamente neutras que pertenecen a la familia de los leptones. Estos se producen en reacciones nucleares tales como las que tienen lugar en el centro del Sol. La única forma de interacción que sufre con otras partículas es a través de la interacción nuclear débil, por esta razón atraviesan la Tierracomo si nada las disturbara. Fueron postulados por Wolfgang Pauli en 1930 y descubiertos en 1956 por Fred Reines y Clyde Cowan en un reactor nuclear. Existe una gran cantidad de neutrinos en el universo producidos en las reacciones a alta temperatura en los primeros dos segundos de vida del universo.

Es posible que los neutrinos posean masa. Según el experimento japones de Superkamiokande los neutrinos producidos por rayos cósmicos en la atmósfera terrestre sufren oscilaciones (o cambios de tipo de neutrino) lo cual indica de forma indirecta que los neutrinos pueden tener masa. Aun no sabemos con certeza si los neutrinos tienen masa, pero debido a la inmensa abundancia de estas partículas bastaría que tuvieran una masa 17 mil veces más pequeña que la de un electrón para alcanzar el 80% de la masa faltante en el universo. El artículo de Neutrinos en el cosmos presenta el tema de los neutrinos más detalladamente.
En el centro del Sol se consumen 600 millones de toneladas de hidrógeno cada segundo, para producir helio por fusión nuclear. En estas reacciones se genera un gran flujo de neutrinos del tipo electrónico. Existen otros dos tipos de neutrinos (muónico y tauónico) que están asociados con reacciones donde intervienen otras partículas diferentes al electrón.

La mecánica cuántica nos dice que si el neutrino tiene masa entonces se puede transformar de un tipo de neutrino a otro. Si pudiéramos comprobar que parte de los neutrinos electrónicos que salen del Sol se transforman en neutrinos del tipo muónico se podría determinar su masa. Los experimentos de medición del flujo de neutrinos solares ya han acumulado resultados que indican la posibilidad de que estos posean masa.

En el experimento de Raymond Davis en las minas de oro de Homestake en Dakota del sur se mide el flujo de neutrinos electrónicos por medio de los efectos producidos en la reacción química del Cloro que se transforma en Argón al interactuar con neutrinos electrónicos. La cantidad de Argón resultante después de un tiempo controlado es proporcional al número de neutrinos que pasaron por el detector. El experimento de Homestake es sensible únicamente a neutrinos de tipo electrónico y sus resultados muestran que a la Tierra solo nos llega el 40% de los neutrinos que deberían llegar. Los resultados del experimento de Homestake fueron confirmados por un grupo de japoneses trabajando en el laboratorio de Kamiokande, el cual detecta los neutrinos solares por las reacciones que estos producen en un inmenso volumen de agua.

Si finalmente se puede determinar con precisión si el neutrino tiene masa, el problema de la masa oscura del universo se acercaría a una posible solución. Sin embargo, aún si el neutrino resulta ser una partícula masiva todavía quedarían aspectos por explicar. La formación de estructura a gran escala no puede resultar solo de neutrinos, porque al ser éstos tan livianos y con velocidades tan grandes escaparían de una región en un tiempo mucho más corto de lo que le toma a la gravedad colapsar la región que se esta formando. Es decir, los neutrinos sólo contribuirían a la formación de estructuras a partir de escalas muy grandes, dejando sin explicación la aparición de estructura a escalas menores.

LOS MONOPOLOS MAGNETICOS

Los monopolos magnéticos también han sido considerados como posibles candidatos a materia oscura del universo. A diferencia de las cargas eléctricas que vienen en entidades separadas en positivas y negativas, las cargas magnéticas no se han visto separadas. Si uno trata de separar el polo norte de un imán de su polo sur lo que resulta son dos imanes pequeños cada uno con su polo norte y sur.

La existencia de una partícula con carga magnética separada (monopolo) no es prohibida por la teoría de Maxwell. En una clase de teorías de unificación los monopolos magnéticos deben aparecer obligatoriamente. Probar la existencia de los monopolos magnéticos es conceptualmente fácil. Si un monopolo magnético pasa por una embobinado de alambre, éste induciría una corriente eléctrica que se puede detectar. Un detector como éste fabricado por Blas Cabrera en la Universidad de Standfor y el día 14 de febrero de 1982 mostró una señal que tenía todas las características esperadas por el paso de un monopolo magnético. Hasta el momento no se ha podido explicar este evento por otros mecanismos que no sean el paso de un monopolo magnético, pero tampoco se ha podido reproducir. En este caso la estadística de un solo evento no es suficiente para probar la existencia de monopolos. El físico inglés Paul Dirac, quien predijo la existencia de monopolos magnéticos en 1931, no aceptó una invitación a la conferencia sobre monopolos de 1983 en Racine, Wisconsisn, respondiendo que él ya no creía en los monopolos magnéticos debido a la ausencia de resultados experimentales. De acuerdo con Dirac, la existencia del monopolo magnético podría explicar la cuantización de la carga eléctrica. Hoy aún persiste el interés por los monopolos magnéticos, y científicos de todo el mundo aúnan sus esfuerzos y prueban muchas técnicas para detectarlos en un gran experimento (MACRO) realizado en el túnel bajo las montañas del Gran Sasso a pocos kilómetros de Roma.

Indagar sobre el origen y constitución del universo siempre ha sido una manifestación natural de las culturas más avanzadas. Hoy, tenemos la fortuna de contar con valiosos datos experimentales que nos abren quizá por primera vez la posibilidad de llegar a una respuesta a los grandes enigmas que han atraído mentes brillantes a lo largo de nuestra historia.