Matèria no visible
01/10/2006 | Lassa Oiarbide, Aitzol | Elhuyar Zientzia Komunikazioa
Ull brillant.
ANDANA
Encara que ningú sap el que és, hi ha una raó perquè els astrònoms utilitzin el concepte de matèria fosca com a bitlla. De fet, la matèria fosca s'utilitza per a explicar fets que no poden aparèixer d'una altra manera.
Per exemple, a causa de la seva ràpida velocitat de rotació, algunes galàxies es dispersarien segons les teories actuals. D'alguna manera, la seva massa no és suficient per a suportar la matèria que gira a aquesta velocitat. La idea de la matèria fosca serveix per a explicar aquests fets: hi ha una matèria que no veiem, per tant fosca, que proporciona a aquestes galàxies una massa suficient per a no dispersar-les.
Altres galàxies, anomenades galàxies nanas, encara que no tenen una ràpida rotació, tenen poca massa visible. Aquesta massa no podria generar suficient força gravitatòria i la galàxia es dispersaria. Però es pot suposar que hi ha matèria que no es veu sostenint el núvol. En el cas de les galàxies nanes, la matèria que falta hauria de ser 30 vegades el Sol.
En definitiva, per a explicar els efectes de les forces gravitatòries presents en l'univers, en general, mancada matèria. Aquesta matèria que falta l'univers és la matèria fosca, que falta perquè tot vagi bé.
La matèria fosca és el 80% de la massa de l'univers. Encara que no es veu, la matèria fosca és aquí.
ANDANA
Buscant la matèria fosca
Per a explicar les forces gravitatòries que es produeixen en l'univers, és necessari, per tant, anar a la recerca de la matèria fosca. I és que si hi ha matèria d'aquest tipus, primer caldrà saber on està.
Al febrer de l'any passat van trobar en el conjunt d'estrelles de Virgo una galàxia formada per matèries fosques. Al principi van trobar el núvol d'hidrogen i suposaven que podia ser una galàxia nana, per això no la veien. No obstant això, després d'analitzar com es movia l'hidrogen, els astrònoms es van adonar que havia de tenir una massa major de la qual semblava. Però llavors el núvol tindria la massa suficient per a encendre les estrelles i es podia veure amb un telescopi amateur on no apareixien estrelles. No obstant això, si se suposa que es tracta d'una galàxia formada per matèries fosques, els camps gravitatoris al voltant del núvol poden aparèixer sense problemes.
Per la seva enorme velocitat, l'Estrella Exclosa ha pres el camí de deixar la nostra galàxia. Això permet als astrònoms analitzar la seva interacció amb la matèria fosca.
ANDANA
Estudis d'aquest tipus indiquen que les galàxies fosques són més abundants que les galàxies convencionals. Una altra hipòtesi és que la matèria fosca envolta la matèria convencional gràcies a la seva influència gravitatòria, per la qual cosa és de vital importància a l'hora de crear estrelles i altres astres.
Estrelles ràpides per a analitzar la matèria fosca
També al febrer de l'any passat, els astrònoms van trobar una estrella a 700 km per segon. Encara que les estrelles travessen l'espai a gran velocitat, aquesta velocitat és enorme per a una estrella. És el doble de la velocitat que necessita una estrella de la via làctia per a deixar l'òrbita, que és el que li passarà a l'Estrella Rebutjada, que li ha donat aquest nom. Va tan ràpid que va directament de la nostra galàxia cap a fora. L'Estrella Exclosa no és l'única que es proposa abandonar la Via Làctia, els astrònoms tenen catalogades unes 10.000 estrelles d'aquest tipus, però l'Estrella Descartada té el rècord de velocitat.
La velocitat extraordinària de l'Estrella Marginada és un avantatge per als astrònoms per la influència de les seves interaccions gravitatòries amb altres estrelles. En passar prop d'una estrella es desviarà. Però també sofrirà desviaments inexplicables, que ara s'alenteix i ara accelera. D'aquesta forma, es pot analitzar la influència de la matèria fosca, la que no es veu.
La lent de gravetat també ens permet analitzar la matèria fosca
És difícil dir res sobre la matèria fosca perquè no té propietats visibles.
ANDANA
En el deixant de la matèria fosca existeix un altre efecte còsmic que pot resultar útil, l'efecte de la lent de gravetat. La força gravitatòria que genera la massa d'una galàxia retorna la llum que passa al seu costat, és a dir, la gravetat fa l'efecte de la lent. L'estimació de la torsió que sofreix la llum permet conèixer la influència de la massa de matèria fosca en la torsió i, per tant, calcular la mateixa massa de matèria fosca. Es creu que la massa de matèria fosca és el 80% de la massa de l'univers, mentre que en el cas de la Via Làctia aquesta proporció és del 90%.
L'ampliació de la lent de gravetat és de l'ordre de l'1%, sent adequats els quasares per a estudiar aquest augment còsmic. De fet, els quasares són lluminosos i, com estan molt lluny, la seva llum sofreix la lent de gravetat de molts objectes còsmics abans d'arribar a la Terra.
Propietats de la matèria fosca
Fins ara s'ha vist que en l'univers hi ha alguna cosa que es diu matèria fosca i l'existència de la qual està demostrada per les interaccions de la gravetat. I si existeix tindrà propietats. Però quins són?
La matèria fosca sembla massa fugaç per a obtenir informació directa sobre ella. No han trobat càrregues elèctriques, magnetismes ni interaccions amb la llum o la radiació. Tenint en compte aquestes propietats --aquestes despropiedades - sembla difícil que els astrònoms aprenguin més coses sobre la matèria fosca. Ni molt menys.
La llum es torsiona en passar al costat d'una galàxia, perquè el camp de gravetat de la galàxia també atreu les ones. El coneixement de la torsió de la llum permet calcular la massa de la galàxia i d'aquí la proporció de matèria fosca de la galàxia.
ANDANA
Per a justificar l'existència de la matèria fosca, els astrònoms han utilitzat galàxies nanes amb les quals sembla lògic poder extreure més informació. Per a començar, han deduït que la velocitat de la matèria fosca de les galàxies nanas és de 9 km per segon. A partir d'aquesta velocitat el núvol que forma la galàxia nana es dispersaria, mentre que per sota d'aquesta velocitat el núvol es compactaria. Amb aquesta informació, i tirant de la corda d'equacions físiques, es pot concloure que la temperatura de la matèria fosca és de 10.000 °C.
Això sembla una temperatura relativament alta per a una matèria que no genera cap tipus de llum. Segons les primeres hipòtesis, la matèria fosca necessitava necessàriament fred. Però la hipòtesi de la matèria fosca freda plantejava molts problemes. Entre altres coses, les galàxies petites haurien d'estar orbitant galàxies més grans i aquest tipus d'estructures còsmiques no s'ha trobat encara en cap lloc. La hipòtesi de matèria fosca calenta, en canvi, no presenta aquest tipus de manques.
Energia fosca
Una vegada justificada l'existència de la matèria fosca, i després d'esmentar algunes de les seves propietats, es poden analitzar les hipòtesis d'origen de la matèria fosca. Per a això és imprescindible entrar en el camp de la física quàntica i esmentar els forats negres. Una de les hipòtesis és que els forats negres són estrelles d'energia fosca. La idea que l'univers s'està expandint és una cosa acceptada entre els astrònoms i la hipòtesi és que l'energia fosca és la responsable d'aquesta expansió.
Una manera de trobar objectes còsmics que no es veuen és analitzar interaccions gravitatòries entre masses.
ANDANA
Segons la hipòtesi, el forat negre exerceix una gravetat enorme sobre la matèria exterior. No obstant això, dins del forat negre, la matèria es transforma en antimatería i es torna a expulsar a l'exterior. Matèries i antimaterías es destrueixen i alliberen radiació d'alta energia. Aquesta seria la font de la radiació que es genera en els centres de les galàxies.
A més dels forats negres, la hipòtesi diu que haurien d'existir altres estrelles d'energia fosca, anomenades fonamentals. Aquestes últimes no es produirien com els forats negres tradicionals --els forats negres són conseqüència dels col·lapses de les estrelles- sinó a través de les fluctuacions espaciotemporals. D'alguna manera, igual que en un núvol de vapor d'aigua es condensen les gotes d'aigua, en l'espaitemps quàntic es formen també estrelles d'energia fosca. Aquestes estrelles generarien la gravetat de les habituals, però serien invisibles. És a dir, estaria format per matèria fosca.
Intenció de crear matèria fosca en laboratori
Sembla que encara que la seva influència en l'espai pugui veure's, serà molt difícil trobar la pròpia matèria fosca a través d'un telescopi. I com serà difícil trobar-la en l'espai, estan realitzant altres experiments per a trobar la matèria fosca. Per exemple, en la Universitat de Zurich han realitzat simulacions a través d'un supercomputador i han conclòs que en la Via Làctia hi ha 10 15 halos de matèria fosca. Això significa que la Terra travessa un d'aquests halos cada 10.000 anys.
El laboratori CERN de Ginebra tractarà de generar artificialment matèria fosca. Per a això s'està construint l'accelerador de partícules LHC.
ANDANA
Però, a més de realitzar simulacions, els científics també estan pensant a crear matèria fosca en el laboratori. Per a això, pretenen crear en el laboratori una partícula subatòmica denominada neutralina, que és una de les candidates a la generació de matèria fosca. La neutralina mai s'ha detectat, però la teoria de la supersimetría suggereix la seva existència i determina la seva massa i com pot produir-se.
El neutralino és l'antipartícula de si mateix. Això significa que dos neutralinas es destrueixen en xocar. En aquest xoc es produeixen els raigs gamma. No obstant això, aquest tipus d'explosions són poc freqüents. S'espera que l'accelerador de partícules LHC que s'està construint en el laboratori CERN de Ginebra serveixi per a la generació de neutralinos i altres partícules supersimétricas, i que estigui disponible en 2007.
Rafael Rebolo: "En aquest moment, el principal repte de la cosmologia és comprendre l'origen de la matèria i l'energia fosca"
Rafael Rebolo, físic i doctor en Astrofísica. Treballa en l'Institut d'Astrofísica de les Illes Canàries. Ha publicat nombrosos treballs, ha rebut nombrosos premis i ha obtingut gran prestigi en la comunitat científica. Xerrada en el congrés Annus Mirabili de Sant Sebastià. Va parlar de l'origen de la vida, ja que ha dirigit diversos projectes sobre l'origen dels elements. Més apropiat que ell per a parlar de matèria fosca.
Per a entendre l'univers, els cosmólogos heu inventat el concepte de matèria fosca.
El millor exemple per a entendre com és l'evolució de l'univers és el Big bang. No obstant això, malgrat ser el millor, aquest model té components que no entenem molt bé perquè no hem pogut conèixer l'origen de totes les coses que hi ha en l'univers. A aquests components se'ls ha donat un nom bastant exòtic, com la matèria i l'energia fosca. Per a comprendre bé les observacions que realitzem, hem d'integrar aquests components en el model. Encara que sembli el contrari, no desvirtua el model. Una combinació interessant és el camp que estableix el model i els components que encara no coneixem del tot. Necessitem més recursos per a experimentar amb explicacions sobre l'un i l'altre o sobre tots dos.
I què es creu que són la matèria i l'energia fosca?
La matèria fosca seria la matèria més abundant de l'univers, però encara no coneixem el seu origen. Quan es parla de matèries comunes sabem que en la base hi ha àtoms, amb els seus nuclis, amb els seus electrons i amb els components dels nuclis. Quan parlem d'un planeta com el nostre o d'una estrella, sabem, en general, de quina matèria està fet. No obstant això, pistes i evidències suggereixen que en l'univers existeixen altres formes de matèria. No podem caracteritzar-les perquè en els laboratoris no obtenim l'energia suficient, mentre que en l'escala còsmica la influència d'aquesta mena de matèries és evident, es nota.
Sí, però què es creu?
El principal candidat a formar part de la matèria fosca seria una partícula bàsica que existiria si es complissin algunes de les teories que uneixen forces bàsiques. Aquesta partícula tindria una massa molt major que els protons, tal vegada 100 vegades major, però la manera d'interaccionar amb la resta de la matèria no seria l'habitual. No podria formar un objecte com el que agafem amb les mans o un astre com el que observem. Aquest tipus d'interacció es denomina interacció feble, ja que la manera d'interactuar amb la matèria és feble. Això significa que no podríem reconèixer-ho, malgrat la gran massa. Per això és difícil trobar-ho: té massa, però té una altra relació amb la matèria. Segur que d'aquí aprendríem moltes coses!
(Foto: B. Cortavientos)
Aquesta és l'única opció? Seria impossible, per exemple, que alguna de les teories que tenim ara fos errònia?
Una de les opcions és tenir un problema amb una de les lleis fonamentals de la naturalesa, en concret la Llei de Gravitació Universal. L'altra opció és que el que s'està fent és tenir una nova forma de la matèria que alguns físics estan anunciant. La veritat és que no tenim elements experimentals per a dir quines partícules són, no hem pogut saber encara com són les partícules que formen aquesta matèria. En qualsevol cas, serà interessant i sortirem guanyant, és a dir, que ens permeti comprendre millor l'univers, ja sigui perquè coneixerem millor l'origen de les forces o de les partícules.
La matèria fosca és un dels reptes de la cosmologia?
Sí. En aquest moment, el principal repte de la cosmologia és comprendre l'origen de la matèria i l'energia fosca, components bàsics de l'univers. Dic bàsic perquè sense aquests components no podem entendre bé algunes de les observacions que realitzem. A partir d'aquí no sabem res, tenim pistes per a pensar que existeixen, però no podem dir què són i per això són un gran repte. Són alguna cosa semblança al cim de l'iceberg. Veiem alguna cosa que està sobre la mar, però el que està darrere probablement serà més gran i el trobarem a poc a poc.
Termini per a respondre a aquests reptes?
Estem en un moment molt interessant. A mi XVII. M'agrada comparar amb el segle XIX. Els astrònoms de llavors van començar a comprendre què són els planetes i els físics, com Galileu, Copèrnic, Newton i Kepler, com s'organitza el món. El cosmos de llavors, amb els recursos que llavors tenien per a estudiar la naturalesa, era el nostre sistema solar. Avui dia tenim mitjans per a arribar més lluny i preguntem per l'origen de tot això. I fem teories. Ells van fer la Llei de Gravitació Universal i nosaltres no sabem si en els pròxims anys donarem una nova llei de la Física. A mi m'agrada pensar que donarem. En qualsevol cas, guanyarem coneixement i l'accés al coneixement és beneficiós per a tots.
Beñardo Kortabarria
La tècnica per a trobar matèria fosca no és nova
"La bella estrella ho fa clar/només en el cel alt/no és només, té amics/Senyor el cel". Com mana la vella balada biscaïna, en el cel no hi ha una sola estrella, sinó moltes. Els quantificables són només els que es poden veure del nostre planeta Terra, però són molts. Unes altres no es veuen a simple vista, ni a través d'un telescopi òptic, perquè estan massa lluny o perquè emeten poca llum, però la ment de l'home les descobreix mitjançant mesuraments astronòmics.
Per a trobar les estrelles que no es veuen, primer es necessita molta informació sobre les estrelles que es coneixen, i per a obtenir aquesta informació són necessaris els telescopis. El telescopi analitza l'espectre d'ones electromagnètiques que emet una estrella. A partir d'aquest espectre es pot conèixer la velocitat, direcció i massa de l'estrella.
Les estrelles tenen enormes masses que interaccionen gravitatòries entre si. A vegades, una estrella no té la velocitat o trajectòria que li correspon segons les dades empíriques. En aquests casos, sembla que hi ha una massa que no es veu que, mitjançant una interacció gravitatòria, modela la trajectòria de l'estrella. És una manera de trobar una estrella que no es veu aquí.
Tècniques similars han d'emprar-se per a recollir dades sobre la matèria fosca, ja que aquesta és una matèria no visible.
Lassa Oiarbide, Aitzol
Serveis
224
2006
Serveis
037
Física
Article
Serveis
