La masa perdida del universo

1987/12/01 Arregi Bengoa, Jesus Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Astrofisika

Esta teoría explica la expansión del Universo descubierta por Hubble como consecuencia de una explosión inicial. La ley de gravedad es el contrapunto de la expansión, que trabaja reduciendo la velocidad de alejamiento entre todos los objetos. El análisis de estos efectos adversos sugiere una pregunta de futuro: ¿La expansión del universo se mantendrá indefinidamente o la influencia de la gravedad paralizará la expansión y provocará otro colapso similar al momento de su creación?.

La respuesta tiene que ver con la cantidad de materi del Universo. El valor mínimo de la densidad para que la gravedad detenga la expansión se denomina densidad crítica y se expresa por c. Por supuesto, cuanto mayor sea la velocidad de propagación, mayores serán los valores necesarios para la densidad crítica. Por lo tanto, se calcula a partir de las medidas de las velocidades de alejamiento de las galaxias c y el valor admitido en la actualidad c = 2. 10 –29 g/cm 3, es decir, aproximadamente 10 átomos de hidrógeno por metro cúbico.

Si el valor de la densidad actual del Universo fuera un valor crítico ( c ), deberíamos asumir que el Universo es infinito, siendo su geometría una geometría euclídea típica, es decir, una geometría plana. En este caso la fuerza de gravedad paralizaría la propagación, pero no podría provocar el colapso posterior. Si la densidad actual es mayor que c, el Universo sería finito, la geometría esférica —la distancia más corta entre dos puntos no sería una recta, sino un arco de circunferencia— y seguiría el colapso de la expansión.

Si no alcanzaríamos el valor crítico 0, viviríamos en un Universo infinito y una geometría hiperbólica. Estas opciones se suelen indicar mediante el parámetro 0 = 0 / c. Como es obvio, la primera opción, la del universo llano, corresponde al caso 0 = 1, la de lo esférico a 0 1-i y la del hiperbólico a 0 1-i. Por lo tanto, es muy importante obtener mediciones fiables de la densidad y en los últimos años los imprevistos se han producido a partir de las sesiones realizadas para ello.

La sospecha de que hay más materia de la que se puede ver y detectar en el universo a través de telescopios y radiotelescopios no es la actual. J. Oort en 1930 y F. Zwicky” propuso en 1933 la necesidad de una materia invisible para explicar algunos movimientos del sistema. Sin embargo, lo que nadie esperaba es que la materia que hemos podido detectar a través de su adivinación sea sólo la centésima parte del universo. Sin embargo, las teorías actuales van por ese camino. La existencia de una gran cantidad de masas sin detectar genera problemas sobre su naturaleza, consolidando la hipótesis de que la materia puede estar no variónica. Es decir, ese vacío que se ha hecho evidente no sería el de los protones, neutrones (bariones) y electrones totales conocidos, sino otras fracciones especiales generadas en los primeros pasos de la evolución del Universo.

Las bases experimentales que sustentan estas conclusiones se han obtenido a nivel de galaxias y cúmulos de galaxias. Por otro lado, a nivel cosmológico, algunos cálculos basados en las teorías que hoy consideramos bien asentadas refuerzan las conclusiones sugeridas por estas mediciones.

En cuanto a las bases experimentales, la primera prueba la proporcionan las mediciones del movimiento de giro de las galaxias. Según ellos, la velocidad de giro de las nubes de hidrógeno situadas en el exterior de los discos de las galaxias (hasta 30 kiloparsec) no es menor que la de las estrellas y nubes del interior, tal y como predice la ley gravitatoria de Newton. Como se puede apreciar en la figura, se describe mediante una curva que evoluciona a velocidad lenta, forzando la existencia de una influencia que supuestamente se manifiesta a través de una masa así existente.

De acuerdo con los valores obtenidos, la masa de una galaxia común multiplicaría lo que hemos detectado gracias a su emisión electromagnética, es decir, no percibimos el 90% de la masa de galaxias. Si en el Universo sólo existiera la masa que nosotros hemos podido ver, el valor de la densidad sería del 1% o del 2% de la necesaria para que se produzca el Universo. Aceptando el incremento de masa necesario para explicar la velocidad de giro de las galaxias, se situaría entre el 10% y el 20% del valor crítico 0.

Al analizar los cúmulos y supercúmulos los los resultados son similares. A pesar de considerar como masa de galaxias la necesaria para explicar la velocidad de giro, el análisis dinámico de estas estructuras revela que para explicar la estabilidad de los cúmulos y supercúmulos que se ha hecho evidente por otras vías se necesita más masa de la que supone la aportación de las galaxias.

A la vista de estos resultados podemos pensar que en el proceso de medición hay algún error sistemático, pero es un argumento teórico muy importante que afirma la fiabilidad de los resultados experimentales.

En los primeros alfileres de la evolución del universo surgieron los elementos más ligeros mediante procesos de nucleosíntesis. Las cantidades de los elementos que se formaron entonces dependían, lógicamente, del número de protones y neutrones que existían en el lugar. Teniendo en cuenta esto, la abundancia relativa al hidrógeno de estos elementos actuales permite limitar la abundancia de bariones por hora. Como esta cantidad es constante, se puede calcular la densidad que genera actualmente. Poniendo números se consigue que la densidad de la materia común se sitúe en torno al 20% de c.

Con lo dicho en los últimos párrafos, y a pesar de que la cantidad de masa necesaria para explicar la dinámica de galaxias y cúmulos es muy grande, puede ser admisible un universo abierto e hiperbólico, con una materia no visible también común, pero esta hipótesis no puede mantenerse dentro del panorama que describen las teorías cosmológicas.

Año 1980 A. H. Guth, basándose en las nuevas teorías de las fracciones, añadió al big-bang una profunda mejora, explicando el problema de la laicidad entre otros éxitos. Hoy en día el Universo, hasta los límites que nosotros conocemos, es cuatro, y tenemos pruebas de lo que hasta ahora ha sido así, pero según el modelo big-bang si el valor inicial de W no hubiera sido 1, se habría alejado mucho del valor de la evolución del Universo, haciendo una curvatura evidente. Según la teoría del universo inflacionario (que suele denominarse a la teoría de Guth), el Universo elevó 10 veces su volumen (por lo que la referencia a la inflación) en una fase muy temprana y breve de su evolución (t = 10 –35” en primer lugar y 10 –32” de duración).

Esta enorme ampliación hizo desaparecer casi por completo la curvatura del Universo, tal y como disminuye cuando inflamos a un globo. Por lo tanto, el valor de se hizo prácticamente uno y el cambio que ha sufrido desde entonces no es suficiente para ser evidente. Tenemos que reconocer, por tanto, que 0 = 1, es decir, 0 = c, que el universo es llano y que, por lo tanto, al menos el 80% de la materia presente no está formada por protones y neutrones.

Es hora de abordar directamente el tema que ya mencionábamos en el título, dando respuesta a dos preguntas principales. Uno sobre la distribución de esta materia fría y otro, por supuesto, sobre su naturaleza.

En cuanto al primero, los investigadores han considerado seriamente la opción de que las galaxias no sean representativas de las mayores condensaciones de materia. Según los datos que hemos dado más arriba, la masa de galaxias sólo da cuenta del 20% de c. Por lo tanto, el 80% suficiente para que se produzca el Universo estaría en regiones en las que no hay galaxias.

Sobre la naturaleza no podemos decir demasiadas cosas concretas. El problema es bastante desconocido para que haya muchos candidatos. Quizá lo que se puede afirmar con mayor certeza es la inadecuación de los candidatos (neutrinos) antes mencionados. El principal motivo de la exclusión es que, tras formar supercúmulos y cúmulos en un universo repleto de neutrinos, la galaxia tardaría mucho en condensarse, finalizando el proceso con la mitad de la edad del Universo. La existencia de estructuras antiguas como las cuasas niega la validez de la hipótesis.

Todos los demás candidatos presentan un error inicial importante: que su existencia sea meramente teórica. Por lo demás, parece que algunos de ellos podían ser suficientes para ocupar el lugar de la materia fría no percibida. La mayoría son necesidades de las teorías de la física de las fracciones y pueden clasificarse en dos grandes grupos: los bosones ligeros, es decir, las fracciones ligeras de todo el espín (entre 10 –14 y 10 –10 de su masa protocolaria) y las fracciones pesadas (de la masa intermedia entre 1 y 1000 del protón).

La fracción del primer grupo al que se le ha dado más opciones es el axio. Esta fracción es una necesidad creada por una simetría existente entre las interacciones principales en niveles altos de energía. Estos axiones, al romper la simetría, crearían una zona de fondo (similar a la radiación de las microondas de fondo) para su posterior acumulación en grandes grupos, explicando la materia perdida. Entre los del segundo grupo, los más prestigiosos son los derivados de la teoría de la supersimetría. La supersimetría es una nueva simetría que relaciona fermiones (fracciones de media espina, por ejemplo, protones neutrones y electrones) y bosones (de espín completo, como fotón y gluón).

Esto unificaría las cuatro interacciones principales conocidas (electromagnética, débil, violenta y gravedad) en una sola y predice una nueva para cada fracción conocida hasta ahora: fotina, gravitina, del electrón, selectrón, neutrino, sneutrino, etc. Entre todos ellos, quizás destacan el gravitino y el fotino. Los gravitinos, contra el caso del neutrino, pueden explicar la formación de galaxias, pero no la de supercúmulos. Los fotinos con una masa intermedia entre los periodos 1 y 50 de la masa del protón también podían formar parte de la masa perdida, pero para ellos también existen dificultades no superadas.

Por último, mencionar dos nuevos candidatos: monopolos magnéticos y cuerdas de big-bang. Estas no son fracciones, sino errores topológicos producidos en los primeros pasos de la evolución del Universo. Pero últimamente se ha hablado mucho de estas criaturas. Por ello, en el siguiente número analizaremos más en profundidad.