Materia non visible
01/10/2006 | Lasa Oiarbide, Aitzol | Elhuyar Zientzia Komunikazioa
Ollo brillante.
PLATAFORMA
Aínda que ninguén sabe o que é, hai una razón para que os astrónomos utilicen o concepto de materia escura como birlo. De feito, a materia escura utilízase paira explicar feitos que non poden aparecer doutra maneira.
Por exemplo, debido á súa rápida velocidade de rotación, algunhas galaxias dispersaríanse segundo as teorías actuais. Dalgunha maneira, a súa masa non é suficiente paira soportar a materia que vira a esa velocidade. A idea da materia escura serve paira explicar estes feitos: hai una materia que non vemos, por tanto escura, que proporciona a estas galaxias una masa suficiente paira non dispersalas.
Outras galaxias, chamadas galaxias nanas, aínda que non teñen una rápida rotación, teñen pouca masa visible. Esta masa non podería xerar suficiente forza gravitatoria e a galaxia dispersaríase. Pero pódese supor que hai materia que non se ve sostendo a nube. No caso das galaxias ananas, a materia que falta debería ser 30 veces o Sol.
En definitiva, paira explicar os efectos das forzas gravitatorias presentes no universo, en xeral, falta materia. Esa materia que falta o universo é a materia escura, que falta para que todo vaia ben.
A materia escura é o 80% da masa do universo. Aínda que non se ve, a materia escura está aí.
PLATAFORMA
Buscando a materia escura
Paira explicar as forzas gravitatorias que se producen no universo, é necesario, por tanto, ir en busca da materia escura. E é que si hai materia deste tipo, primeiro haberá que saber onde está.
En febreiro do ano pasado atoparon no conxunto de estrelas de Virgo una galaxia formada por materias escuras. Nun principio atoparon a nube de hidróxeno e supuñan que podía ser una galaxia anana, por iso non a vían. Con todo, tras analizar como se movía o hidróxeno, os astrónomos déronse conta de que debía ter una masa maior da que parecía. Pero entón a nube tería a masa suficiente paira acender as estrelas e podíase ver cun telescopio amateur onde non aparecían estrelas. Con todo, si suponse que se trata dunha galaxia formada por materias escuras, os campos gravitatorios ao redor da nube poden aparecer sen problemas.
Pola súa enorme velocidade, a Estrela Excluída ha tomado o camiño de deixar a nosa galaxia. Isto permite aos astrónomos analizar a súa interacción coa materia escura.
PLATAFORMA
Estudos deste tipo indican que as galaxias escuras son máis abundantes que as galaxias convencionais. Outra hipótese é que a materia escura rodea a materia convencional grazas á súa influencia gravitatoria, polo que é de vital importancia á hora de crear estrelas e demais astros.
Estrelas rápidas paira analizar a materia escura
Tamén en febreiro do ano pasado, os astrónomos atoparon una estrela a 700 km por segundo. Aínda que as estrelas atravesan o espazo a gran velocidade, esta velocidade é enorme paira una estrela. É o dobre da velocidade que necesita una estrela da vía láctea paira deixar a órbita, que é o que lle pasará á Estrela Rexeitada, que lle deu ese nome. Vai tan rápido que vai directamente da nosa galaxia cara a fóra. La Estrella Excluída non é a única que se propón abandonar a Vía Láctea, os astrónomos teñen catalogadas unhas 10.000 estrelas deste tipo, pero a Estrela Descartada ten a marca de velocidade.
A velocidade extraordinaria da Estrela Marxinada é una vantaxe paira os astrónomos pola influencia das súas interaccións gravitatorias con outras estrelas. Ao pasar preto de una estrela desviarase. Pero tamén sufrirá desvíos inexplicables, que agora se retarda e agora acelera. Desta forma, pódese analizar a influencia da materia escura, a que non se ve.
A lente de gravidade tamén nos permite analizar a materia escura
É difícil dicir nada sobre a materia escura porque non ten propiedades visibles.
PLATAFORMA
No ronsel da materia escura existe outro efecto cósmico que pode resultar útil, o efecto da lente de gravidade. A forza gravitatoria que xera a masa dunha galaxia retorna a luz que pasa ao seu lado, é dicir, a gravidade fai o efecto da lente. A estimación da torsión que sofre a luz permite coñecer a influencia da masa de materia escura na torsión e, por tanto, calcular a mesma masa de materia escura. Crese que a masa de materia escura é o 80% da masa do universo, mentres que no caso da Vía Láctea esta proporción é do 90%.
A ampliación da lente de gravidade é da orde do 1%, sendo adecuados os quasares paira estudar este aumento cósmico. De feito, os quasares son luminosos e, como están moi lonxe, a súa luz sofre a lente de gravidade de moitos obxectos cósmicos antes de chegar á Terra.
Propiedades da materia escura
Até agora hase visto que no universo hai algo que se chama materia escura e cuxa existencia está demostrada polas interaccións da gravidade. E si existe terá propiedades. Pero cales son?
A materia escura parece demasiado fugaz paira obter información directa sobre ela. Non atoparon cargas eléctricas, magnetismos nin interaccións coa luz ou a radiación. Tendo en conta estas propiedades --estas despropiedades - parece difícil que os astrónomos aprendan máis cousas sobre a materia escura. Nin moito menos.
A luz se torsiona ao pasar xunto a una galaxia, porque o campo de gravidade da galaxia tamén atrae as ondas. O coñecemento da torsión da luz permite calcular a masa da galaxia e de aí a proporción de materia escura da galaxia.
PLATAFORMA
Paira xustificar a existencia da materia escura, os astrónomos utilizaron galaxias ananas coas que parece lóxico poder extraer máis información. Paira empezar, deduciron que a velocidade da materia escura das galaxias nanas é de 9 km por segundo. A partir desta velocidade a nube que forma a galaxia anana dispersaríase, mentres que por baixo desa velocidade a nube compactaríase. Con esta información, e tirando da corda de ecuacións físicas, pódese concluír que a temperatura da materia escura é de 10.000 ºC.
Isto parece una temperatura relativamente alta paira una materia que non xera ningún tipo de luz. Segundo as primeiras hipóteses, a materia escura necesitaba necesariamente frío. Pero a hipótese da materia escura fría expuña moitos problemas. Entre outras cousas, as galaxias pequenas deberían estar orbitando galaxias máis grandes e este tipo de estruturas cósmicas non se atopou aínda en ningún sitio. A hipótese de materia escura quente, en cambio, non presenta este tipo de carencias.
Enerxía escura
Una vez xustificada a existencia da materia escura, e tras mencionar algunhas das súas propiedades, pódense analizar as hipóteses de orixe da materia escura. Paira iso é imprescindible entrar no campo da física cuántica e mencionar os buracos negros. Una das hipóteses é que os buracos negros son estrelas de enerxía escura. A idea de que o universo se está expandindo é algo aceptado entre os astrónomos e a hipótese é que a enerxía escura é a responsable desta expansión.
Una forma de atopar obxectos cósmicos que non ven é analizar interaccións gravitatorias entre masas.
PLATAFORMA
Segundo a hipótese, o buraco negro exerce una gravidade enorme sobre a materia exterior. Con todo, dentro do buraco negro, a materia transfórmase en antimatería e vólvese a expulsar ao exterior. Materias e antimaterías destrúense e liberan radiación de alta enerxía. Esa sería a fonte da radiación que se xera nos centros das galaxias.
Ademais dos buracos negros, a hipótese di que deberían existir outras estrelas de enerxía escura, chamadas fundamentais. Estas últimas non se producirían como os buracos negros tradicionais --os buracos negros son consecuencia dos colapsos das estrelas- senón a través das fluctuaciones espazo-temporais. Dalgunha maneira, do mesmo xeito que nunha nube de vapor de auga se condensan as pingas de auga, no espazo-tempo cuántico fórmanse tamén estrelas de enerxía escura. Estas estrelas xerarían a gravidade das habituais, pero serían invisibles. É dicir, estaría formado por materia escura.
Intención de crear materia escura en laboratorio
Parece que aínda que a súa influencia no espazo poida verse, será moi difícil atopar a propia materia escura a través dun telescopio. E como vai ser difícil atopala no espazo, están a realizar outros experimentos paira atopar a materia escura. Por exemplo, na Universidade de Zúric realizaron simulacións a través dun supercomputador e concluíron que na Vía Láctea hai 10 15 halos de materia escura. Isto significa que a Terra atravesa un destes halos cada 10.000 anos.
O laboratorio CERN de Xenebra tratará de xerar artificialmente materia escura. Paira iso estase construíndo o acelerador de partículas LHC.
PLATAFORMA
Pero, ademais de realizar simulacións, os científicos tamén están a pensar en crear materia escura no laboratorio. Paira iso, pretenden crear no laboratorio una partícula subatómica denominada neutralina, que é una das candidatas á xeración de materia escura. A neutralina nunca se detectou, pero a teoría da supersimetría suxire a súa existencia e determina a súa masa e como pode producirse.
O neutralino é a antipartícula de si mesmo. Isto significa que dous neutralinas destrúense ao chocar. Neste choque prodúcense os raios gamma. Con todo, este tipo de explosións son pouco frecuentes. Espérase que o acelerador de partículas LHC que se está construíndo no laboratorio CERN de Xenebra sirva paira a xeración de neutralinos e outras partículas supersimétricas, e que estea dispoñible en 2007.
Rafael Rebolo: "Neste momento, o principal reto da cosmología é comprender a orixe da materia e a enerxía escura"
Rafael Rebolo, físico e doutor en Astrofísica. Traballa no Instituto de Astrofísica das Illas Canarias. Publicou numerosos traballos, recibiu numerosos premios e obtivo gran prestixio na comunidade científica. Charla no congreso Annus Mirabili de San Sebastián. Falou da orixe da vida, xa que dirixiu varios proxectos sobre a orixe dos elementos. Máis apropiado que el paira falar de materia escura.
Paira entender o universo, os cosmólogos inventastes o concepto de materia escura.
O mellor exemplo paira entender como é a evolución do universo é o Big Bang. Con todo, a pesar de ser o mellor, este modelo ten compoñentes que non entendemos moi ben porque non puidemos coñecer a orixe de todas as cousas que hai no universo. A estes compoñentes déuselles un nome bastante exótico, como a materia e a enerxía escura. Paira comprender ben as observacións que realizamos, debemos integrar estes compoñentes no modelo. Aínda que pareza o contrario, non desvirtúa o modelo. Una combinación interesante é o campo que establece o modelo e os compoñentes que aínda non coñecemos do todo. Necesitamos máis recursos paira experimentar con explicacións sobre un e outro ou sobre ambos.
E que se cre que son a materia e a enerxía escura?
A materia escura sería a materia máis abundante do universo, pero aínda non coñecemos a súa orixe. Cando se fala de materias comúns sabemos que na base hai átomos, cos seus núcleos, cos seus electróns e cos compoñentes dos núcleos. Cando falamos dun planeta como o noso ou dunha estrela, sabemos, en xeral, de que materia está feito. Con todo, pistas e evidencias suxiren que no universo existen outras formas de materia. Non podemos caracterizalas porque nos laboratorios non obtemos a enerxía suficiente, mentres que na escala cósmica a influencia deste tipo de materias é evidente, nótase.
Si, pero que se cre?
O principal candidato a formar parte da materia escura sería una partícula básica que existiría si cumprísense algunhas das teorías que unen forzas básicas. Esta partícula tería una masa moito maior que os protones, talvez 100 veces maior, pero a forma de interaccionar co resto da materia non sería a habitual. Non podería formar un obxecto como o que collemos coas mans ou un astro como o que observamos. Este tipo de interacción denomínase interacción débil, xa que a forma de interactuar coa materia é débil. Isto significa que non poderiamos recoñecelo, a pesar da gran masa. Por iso é difícil atopalo: ten masa, pero ten outra relación coa materia. Seguro que de aí aprenderiamos moitas cousas!
(Foto: B. Cortavientos)
Esa é a única opción? Sería imposible, por exemplo, que algunha das teorías que temos agora fose errónea?
Una das opcións é ter un problema cunha das leis fundamentais da natureza, en concreto a Lei de Gravitación Universal. A outra opción é que o que se está facendo é ter una nova forma da materia que algúns físicos están a anunciar. O certo é que non temos elementos experimentais paira dicir que partículas son, non puidemos saber aínda como son as partículas que forman esa materia. En calquera caso, será interesante e sairemos gañando, é dicir, que nos permita comprender mellor o universo, xa sexa porque coñeceremos mellor a orixe das forzas ou das partículas.
A materia escura é un dos retos da cosmología?
Si. Neste momento, o principal reto da cosmología é comprender a orixe da materia e a enerxía escura, compoñentes básicos do universo. Digo básico porque sen estes compoñentes non podemos entender ben algunhas das observacións que realizamos. A partir de aí non sabemos nada, temos pistas paira pensar que existen, pero non podemos dicir que son e por iso son un gran reto. Son algo parecido ao cume do iceberg. Vemos algo que está sobre o mar, pero o que está detrás probablemente será máis grande e atoparémolo aos poucos.
Prazo paira responder a estes retos?
Estamos nun momento moi interesante. Ao meu XVII. Gústame comparar co século XIX. Os astrónomos de entón empezaron a comprender que son os planetas e os físicos, como Galileo, Copérnico, Newton e Kepler, como se organiza o mundo. O cosmos de entón, cos recursos que entón tiñan paira estudar a natureza, era o noso sistema solar. Hoxe en día temos medios paira chegar máis lonxe e preguntamos pola orixe de todo isto. E facemos teorías. Eles fixeron a Lei de Gravitación Universal e nós non sabemos si nos próximos anos imos dar una nova lei da Física. A min gústame pensar que imos dar. En calquera caso, gañaremos coñecemento e o acceso ao coñecemento é beneficioso paira todos.
Beñardo Kortabarria
A técnica paira atopar materia escura non é nova
"A bela estrela faio claro/só no ceo alto/non é só, ten amigos/Señor o ceo". Como manda a vella balada biscaíña, no ceo non hai una soa estrela, senón moitas. Os cuantificables son só os que se poden ver do noso planeta Terra, pero son moitos. Outras non ven a primeira ollada, nin a través dun telescopio óptico, porque están demasiado lonxe ou porque emiten pouca luz, pero a mente do home descóbreas mediante medicións astronómicas.
Paira atopar as estrelas que non ven, primeiro necesítase moita información sobre as estrelas que se coñecen, e paira obter esa información son necesarios os telescopios. O telescopio analiza o espectro de ondas electromagnéticas que emite una estrela. A partir deste espectro pódese coñecer a velocidade, dirección e masa da estrela.
As estrelas teñen enormes masas que interaccionan gravitatorias entre si. En ocasións, una estrela non ten a velocidade ou traxectoria que lle corresponde segundo os datos empíricos. Nestes casos, parece que hai una masa que non se ve que, mediante unha interacción gravitatoria, moldea a traxectoria da estrela. É una maneira de atopar una estrela que non se ve aí.
Técnicas similares deben empregarse paira recoller datos sobre a materia escura, xa que esta é una materia non visible.
Lasa Oiarbide, Aitzol
Servizos
224
2006
Servizos
037
Física
Artigo
Servizos
