Materia no visible
01/10/2006 | Lasa Oiarbide, Aitzol | Elhuyar Zientzia Komunikazioa
Ojo brillante.
ANDÉN
Aunque nadie sabe lo que es, hay una razón para que los astrónomos utilicen el concepto de materia oscura como bolo. De hecho, la materia oscura se utiliza para explicar hechos que no pueden aparecer de otra manera.
Por ejemplo, debido a su rápida velocidad de rotación, algunas galaxias se dispersarían según las teorías actuales. De alguna manera, su masa no es suficiente para soportar la materia que gira a esa velocidad. La idea de la materia oscura sirve para explicar estos hechos: hay una materia que no vemos, por lo tanto oscura, que proporciona a estas galaxias una masa suficiente para no dispersarlas.
Otras galaxias, llamadas galaxias nanas, aunque no tienen una rápida rotación, tienen poca masa visible. Esta masa no podría generar suficiente fuerza gravitatoria y la galaxia se dispersaría. Pero se puede suponer que hay materia que no se ve sosteniendo la nube. En el caso de las galaxias enanas, la materia que falta debería ser 30 veces el Sol.
En definitiva, para explicar los efectos de las fuerzas gravitatorias presentes en el universo, en general, falta materia. Esa materia que falta el universo es la materia oscura, que falta para que todo vaya bien.
La materia oscura es el 80% de la masa del universo. Aunque no se ve, la materia oscura está ahí.
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Buscando la materia oscura
Para explicar las fuerzas gravitatorias que se producen en el universo, es necesario, por tanto, ir en busca de la materia oscura. Y es que si hay materia de este tipo, primero habrá que saber dónde está.
En febrero del año pasado encontraron en el conjunto de estrellas de Virgo una galaxia formada por materias oscuras. En un principio encontraron la nube de hidrógeno y suponían que podía ser una galaxia enana, por eso no la veían. Sin embargo, tras analizar cómo se movía el hidrógeno, los astrónomos se dieron cuenta de que debía tener una masa mayor de la que parecía. Pero entonces la nube tendría la masa suficiente para encender las estrellas y se podía ver con un telescopio amateur donde no aparecían estrellas. Sin embargo, si se supone que se trata de una galaxia formada por materias oscuras, los campos gravitatorios alrededor de la nube pueden aparecer sin problemas.
Por su enorme velocidad, la Estrella Excluida ha tomado el camino de dejar nuestra galaxia. Esto permite a los astrónomos analizar su interacción con la materia oscura.
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Estudios de este tipo indican que las galaxias oscuras son más abundantes que las galaxias convencionales. Otra hipótesis es que la materia oscura rodea la materia convencional gracias a su influencia gravitatoria, por lo que es de vital importancia a la hora de crear estrellas y demás astros.
Estrellas rápidas para analizar la materia oscura
También en febrero del año pasado, los astrónomos encontraron una estrella a 700 km por segundo. Aunque las estrellas atraviesan el espacio a gran velocidad, esta velocidad es enorme para una estrella. Es el doble de la velocidad que necesita una estrella de la vía láctea para dejar la órbita, que es lo que le pasará a la Estrella Rechazada, que le ha dado ese nombre. Va tan rápido que va directamente de nuestra galaxia hacia fuera. La Estrella Excluida no es la única que se propone abandonar la Vía Láctea, los astrónomos tienen catalogadas unas 10.000 estrellas de este tipo, pero la Estrella Descartada tiene el récord de velocidad.
La velocidad extraordinaria de la Estrella Marginada es una ventaja para los astrónomos por la influencia de sus interacciones gravitatorias con otras estrellas. Al pasar cerca de una estrella se desviará. Pero también sufrirá desvíos inexplicables, que ahora se ralentiza y ahora acelera. De esta forma, se puede analizar la influencia de la materia oscura, la que no se ve.
La lente de gravedad también nos permite analizar la materia oscura
Es difícil decir nada sobre la materia oscura porque no tiene propiedades visibles.
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En la estela de la materia oscura existe otro efecto cósmico que puede resultar útil, el efecto de la lente de gravedad. La fuerza gravitatoria que genera la masa de una galaxia retorna la luz que pasa a su lado, es decir, la gravedad hace el efecto de la lente. La estimación de la torsión que sufre la luz permite conocer la influencia de la masa de materia oscura en la torsión y, por tanto, calcular la misma masa de materia oscura. Se cree que la masa de materia oscura es el 80% de la masa del universo, mientras que en el caso de la Vía Láctea esta proporción es del 90%.
La ampliación de la lente de gravedad es del orden del 1%, siendo adecuados los quasares para estudiar este aumento cósmico. De hecho, los quasares son luminosos y, como están muy lejos, su luz sufre la lente de gravedad de muchos objetos cósmicos antes de llegar a la Tierra.
Propiedades de la materia oscura
Hasta ahora se ha visto que en el universo hay algo que se llama materia oscura y cuya existencia está demostrada por las interacciones de la gravedad. Y si existe tendrá propiedades. ¿Pero cuáles son?
La materia oscura parece demasiado fugaz para obtener información directa sobre ella. No han encontrado cargas eléctricas, magnetismos ni interacciones con la luz o la radiación. Teniendo en cuenta estas propiedades --estas despropiedades - parece difícil que los astrónomos aprendan más cosas sobre la materia oscura. Ni mucho menos.
La luz se torsiona al pasar junto a una galaxia, porque el campo de gravedad de la galaxia también atrae las ondas. El conocimiento de la torsión de la luz permite calcular la masa de la galaxia y de ahí la proporción de materia oscura de la galaxia.
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Para justificar la existencia de la materia oscura, los astrónomos han utilizado galaxias enanas con las que parece lógico poder extraer más información. Para empezar, han deducido que la velocidad de la materia oscura de las galaxias nanas es de 9 km por segundo. A partir de esta velocidad la nube que forma la galaxia enana se dispersaría, mientras que por debajo de esa velocidad la nube se compactaría. Con esta información, y tirando de la cuerda de ecuaciones físicas, se puede concluir que la temperatura de la materia oscura es de 10.000 ºC.
Esto parece una temperatura relativamente alta para una materia que no genera ningún tipo de luz. Según las primeras hipótesis, la materia oscura necesitaba necesariamente frío. Pero la hipótesis de la materia oscura fría planteaba muchos problemas. Entre otras cosas, las galaxias pequeñas deberían estar orbitando galaxias más grandes y este tipo de estructuras cósmicas no se ha encontrado todavía en ningún sitio. La hipótesis de materia oscura caliente, en cambio, no presenta este tipo de carencias.
Energía oscura
Una vez justificada la existencia de la materia oscura, y tras mencionar algunas de sus propiedades, se pueden analizar las hipótesis de origen de la materia oscura. Para ello es imprescindible entrar en el campo de la física cuántica y mencionar los agujeros negros. Una de las hipótesis es que los agujeros negros son estrellas de energía oscura. La idea de que el universo se está expandiendo es algo aceptado entre los astrónomos y la hipótesis es que la energía oscura es la responsable de esta expansión.
Una forma de encontrar objetos cósmicos que no se ven es analizar interacciones gravitatorias entre masas.
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Según la hipótesis, el agujero negro ejerce una gravedad enorme sobre la materia exterior. Sin embargo, dentro del agujero negro, la materia se transforma en antimatería y se vuelve a expulsar al exterior. Materias y antimaterías se destruyen y liberan radiación de alta energía. Esa sería la fuente de la radiación que se genera en los centros de las galaxias.
Además de los agujeros negros, la hipótesis dice que deberían existir otras estrellas de energía oscura, llamadas fundamentales. Estas últimas no se producirían como los agujeros negros tradicionales --los agujeros negros son consecuencia de los colapsos de las estrellas- sino a través de las fluctuaciones espacio-temporales. De alguna manera, al igual que en una nube de vapor de agua se condensan las gotas de agua, en el espacio-tiempo cuántico se forman también estrellas de energía oscura. Estas estrellas generarían la gravedad de las habituales, pero serían invisibles. Es decir, estaría formado por materia oscura.
Intención de crear materia oscura en laboratorio
Parece que aunque su influencia en el espacio pueda verse, será muy difícil encontrar la propia materia oscura a través de un telescopio. Y como va a ser difícil encontrarla en el espacio, están realizando otros experimentos para encontrar la materia oscura. Por ejemplo, en la Universidad de Zurich han realizado simulaciones a través de un superordenador y han concluido que en la Vía Láctea hay 10 15 halos de materia oscura. Esto significa que la Tierra atraviesa uno de estos halos cada 10.000 años.
El laboratorio CERN de Ginebra tratará de generar artificialmente materia oscura. Para ello se está construyendo el acelerador de partículas LHC.
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Pero, además de realizar simulaciones, los científicos también están pensando en crear materia oscura en el laboratorio. Para ello, pretenden crear en el laboratorio una partícula subatómica denominada neutralina, que es una de las candidatas a la generación de materia oscura. La neutralina nunca se ha detectado, pero la teoría de la supersimetría sugiere su existencia y determina su masa y cómo puede producirse.
El neutralino es la antipartícula de sí mismo. Esto significa que dos neutralinas se destruyen al chocar. En este choque se producen los rayos gamma. Sin embargo, este tipo de explosiones son poco frecuentes. Se espera que el acelerador de partículas LHC que se está construyendo en el laboratorio CERN de Ginebra sirva para la generación de neutralinos y otras partículas supersimétricas, y que esté disponible en 2007.
Rafael Rebolo: "En este momento, el principal reto de la cosmología es comprender el origen de la materia y la energía oscura"
Rafael Rebolo, físico y doctor en Astrofísica. Trabaja en el Instituto de Astrofísica de las Islas Canarias. Ha publicado numerosos trabajos, ha recibido numerosos premios y ha obtenido gran prestigio en la comunidad científica. Charla en el congreso Annus Mirabili de San Sebastián. Habló del origen de la vida, ya que ha dirigido varios proyectos sobre el origen de los elementos. Más apropiado que él para hablar de materia oscura.
Para entender el universo, los cosmólogos habéis inventado el concepto de materia oscura.
El mejor ejemplo para entender cómo es la evolución del universo es el Big Bang. Sin embargo, a pesar de ser el mejor, este modelo tiene componentes que no entendemos muy bien porque no hemos podido conocer el origen de todas las cosas que hay en el universo. A estos componentes se les ha dado un nombre bastante exótico, como la materia y la energía oscura. Para comprender bien las observaciones que realizamos, debemos integrar estos componentes en el modelo. Aunque parezca lo contrario, no desvirtúa el modelo. Una combinación interesante es el campo que establece el modelo y los componentes que aún no conocemos del todo. Necesitamos más recursos para experimentar con explicaciones sobre uno y otro o sobre ambos.
¿Y qué se cree que son la materia y la energía oscura?
La materia oscura sería la materia más abundante del universo, pero todavía no conocemos su origen. Cuando se habla de materias comunes sabemos que en la base hay átomos, con sus núcleos, con sus electrones y con los componentes de los núcleos. Cuando hablamos de un planeta como el nuestro o de una estrella, sabemos, en general, de qué materia está hecho. Sin embargo, pistas y evidencias sugieren que en el universo existen otras formas de materia. No podemos caracterizarlas porque en los laboratorios no obtenemos la energía suficiente, mientras que en la escala cósmica la influencia de este tipo de materias es evidente, se nota.
Sí, pero ¿qué se cree?
El principal candidato a formar parte de la materia oscura sería una partícula básica que existiría si se cumplieran algunas de las teorías que unen fuerzas básicas. Esta partícula tendría una masa mucho mayor que los protones, tal vez 100 veces mayor, pero la forma de interaccionar con el resto de la materia no sería la habitual. No podría formar un objeto como el que cogemos con las manos o un astro como el que observamos. Este tipo de interacción se denomina interacción débil, ya que la forma de interactuar con la materia es débil. Esto significa que no podríamos reconocerlo, a pesar de la gran masa. Por eso es difícil encontrarlo: tiene masa, pero tiene otra relación con la materia. ¡Seguro que de ahí aprenderíamos muchas cosas!
(Foto: B. Cortavientos)
¿Esa es la única opción? ¿Sería imposible, por ejemplo, que alguna de las teorías que tenemos ahora fuera errónea?
Una de las opciones es tener un problema con una de las leyes fundamentales de la naturaleza, en concreto la Ley de Gravitación Universal. La otra opción es que lo que se está haciendo es tener una nueva forma de la materia que algunos físicos están anunciando. Lo cierto es que no tenemos elementos experimentales para decir qué partículas son, no hemos podido saber todavía cómo son las partículas que forman esa materia. En cualquier caso, será interesante y saldremos ganando, es decir, que nos permita comprender mejor el universo, ya sea porque conoceremos mejor el origen de las fuerzas o de las partículas.
¿La materia oscura es uno de los retos de la cosmología?
Sí. En este momento, el principal reto de la cosmología es comprender el origen de la materia y la energía oscura, componentes básicos del universo. Digo básico porque sin estos componentes no podemos entender bien algunas de las observaciones que realizamos. A partir de ahí no sabemos nada, tenemos pistas para pensar que existen, pero no podemos decir qué son y por eso son un gran reto. Son algo parecido a la cumbre del iceberg. Vemos algo que está sobre el mar, pero lo que está detrás probablemente será más grande y lo encontraremos poco a poco.
¿Plazo para responder a estos retos?
Estamos en un momento muy interesante. A mi XVII. Me gusta comparar con el siglo XIX. Los astrónomos de entonces empezaron a comprender qué son los planetas y los físicos, como Galileo, Copérnico, Newton y Kepler, cómo se organiza el mundo. El cosmos de entonces, con los recursos que entonces tenían para estudiar la naturaleza, era nuestro sistema solar. Hoy en día tenemos medios para llegar más lejos y preguntamos por el origen de todo esto. Y hacemos teorías. Ellos hicieron la Ley de Gravitación Universal y nosotros no sabemos si en los próximos años vamos a dar una nueva ley de la Física. A mí me gusta pensar que vamos a dar. En cualquier caso, ganaremos conocimiento y el acceso al conocimiento es beneficioso para todos.
Beñardo Kortabarria
La técnica para encontrar materia oscura no es nueva
"La bella estrella lo hace claro/sólo en el cielo alto/no es solo, tiene amigos/Señor el cielo". Como manda la vieja balada vizcaína, en el cielo no hay una sola estrella, sino muchas. Los cuantificables son sólo los que se pueden ver de nuestro planeta Tierra, pero son muchos. Otras no se ven a simple vista, ni a través de un telescopio óptico, porque están demasiado lejos o porque emiten poca luz, pero la mente del hombre las descubre mediante mediciones astronómicas.
Para encontrar las estrellas que no se ven, primero se necesita mucha información sobre las estrellas que se conocen, y para obtener esa información son necesarios los telescopios. El telescopio analiza el espectro de ondas electromagnéticas que emite una estrella. A partir de este espectro se puede conocer la velocidad, dirección y masa de la estrella.
Las estrellas tienen enormes masas que interaccionan gravitatorias entre sí. En ocasiones, una estrella no tiene la velocidad o trayectoria que le corresponde según los datos empíricos. En estos casos, parece que hay una masa que no se ve que, mediante una interacción gravitatoria, moldea la trayectoria de la estrella. Es una manera de encontrar una estrella que no se ve ahí.
Técnicas similares deben emplearse para recoger datos sobre la materia oscura, ya que ésta es una materia no visible.
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