El misterio de la materia del Universo
por Ana 13 de Agosto de 2002
¿De qué está hecho el universo?
El universo está básicamente compuesto de hidrógeno. Entre el 70 y el 75% de la materia conocida del universo se encuentra en forma de hidrógeno, el elemento más simple. El restante 30% de la materia conocida está compuesta por los 109 elementos del sistema periódico.
Sin embargo, todos los objetos celestes visibles conocidos hoy en día (estrellas, planetas y nubes de polvo) dan cuenta de sólo el 10% de la masa del universo. Es decir, del total de materia que forma el universo, sólo es materia conocida el 10% de ella, el resto es masa que falta y, dado que no la hemos podido detectar, los físicos la han llamado “materia oscura” (sea lo que sea).
La materia oscura es presuntamente invisible porque no emite ni refleja luz visible, ni ondas de radio, infrarrojos, UV, rayos-X o rayos gamma. Es posible también que su luz sea tan débil que no pueda ser detectada por los actuales instrumentos astronómicos. Sin embargo, la materia oscura puede ser detectada indirectamente debido a su influencia en otros objetos cercanos visibles.
El descubrimiento de presencia de la materia oscura
Fue descubierta en 1932 por Jan Oort, un astrónomo holandés que midió los movimientos perpendiculares de estrellas cercanas con respecto a la Vía Láctea, estudiando su influencia gravitatoria y midiendo la masa del disco de la galaxia (lo mismo que la masa de la Tierra puede ser calculada a partir de la aceleración de un objeto que cae).
Figura: Jan Oort (© H. Jonker)El resultado de esta medición fue que la masa calculada para la Vía Láctea era el doble que la suma de la masa de todas las estrellas y nebulosas visibles en la galaxia, de forma que faltaba bastante masa que no se veía.
¿Qué es la materia oscura?
La “materia oscura” se define como el término usado para describir la masa de las galaxias y clusters, cuya existencia inferimos del estudio de las curvas de rotación de las galaxias y otras técnicas (como los radio-telescopios y las lentes gravitacionales), pero que no ha sido confirmada en ninguna onda electromagnética. Es decir, que no lo hemos visto ni con ondas de radio, infrarrojos, radiación en el visible, ultravioleta, rayos-X o rayos gamma.
Los científicos han considerado dos grupos de materia a considerar como materia oscura. Una sería la materia bariónica o “normal” que es la formada por protones y neutrones (MACHOS) y la otra sería la materia no-bariónica, que podrían ser partículas elementales exóticas que no interactúan fuertemente con la materia normal.
3.1. MACHOS (MAssive Compact Halo Objetcs) – Materia Bariónica (normal)
Algunos ejemplos de estos objetos son las estrellas enanas marrones, las enanas blancas, las estrellas de neutrones y los agujeros negros.
a) Enanas marrones
Son estrellas cuya masa es inferior al 8% de la masa que tiene nuestro Sol, por o que es demasiado pequeña para producir reacciones nucleares que la hagan brillar (por eso se dice que es “marrón”).
Estudios recientes sobre el brillo y atenuación de estrellas lejanas, que tienen a su alrededor enanas marrones y planetas grandes, pueden dar lugar a una evidencia de una gran población de enanas marrones en nuestra galaxia, aunque aún no se ha probado.
b) Enanas blancas
Son el estado final condensado de una estrella de tamaño pequeño o medio.
Es conocido que las estrellas enanas blancas existen y son abundantes, y quizás podrían ser lo suficientemente abundantes para explicar el fenómeno de la materia oscura si las galaxias jóvenes produjeran enanas blancas que se enfriaran más rápidamente de lo que la teoría predice. En cualquier caso, la producción de tal cantidad de enanas blancas implicaría también una producción enorme de helio que no se ha observado.
c) Estrellas de neutrones o Agujeros negros
Son el estado final condensado de una estrella de tamaño grande o muy grande.
Dado que tanto las estrellas de neutrones como los agujeros negros pueden ser muy oscuros, son un buen candidato. Sin embargo, estos objetos son muy escasos en el universo y el proceso de su formación libera mucha energía y elementos pesados que no se han observado.
3.2. WIPMs (Weakly Interacting Massive Particles) – Materia No-Bariónica
Está compuesto por partículas subatómicas exóticas: axiones, neutrinos masivos, photinos, etc. Esta es una de las teorías más fuertes y predice que la materia oscura está compuesta por estas partículas masivas invisibles que interactúan fuertemente. Se llaman colectivamente “materia oscura fría”.
Teóricamente podrían haberse formado en el origen del universo (Big Bang) con las cantidades y propiedades adecuadas para poder explicar el problema de la materia oscura. Sin embargo, a excepción de los neutrinos, muchas de tales partículas elementales están aún en el área de la teoría y no han sido detectadas.
Desgraciadamente, en la actualidad no existen evidencias de que la materia oscura sea bariónica ni no-bariónica.
¿Hay evidencias de la existencia de la materia oscura?
Hay algunas evidencias experimentales indirectas de la existencia de la materia oscura en el universo, aunque aún no se sepa de qué está compuesta.
1. Estudio de la radiación de fondo.
Recientemente algunos astrónomos han encontrado la primera evidencia verdaderamente significativa de que la materia oscura se extiende por el universo.
R. Scranton et al. (Universidad de Pittsburg, Pensilvania) han detectado una huella de energía oscura en el resplandor después del Big Bang, en la radiación denominada “radiación de fondo” o “fondo cósmico de microondas” (cosmic microwave background, CMB). El CMB es ligeramente más caliente donde hay más galaxias y parece que la existencia de la materia oscura en esa zona es la única explicación.
Los astrofísicos postularon la existencia de la “materia oscura” cuando el estudio de estrellas distantes que explotaban (supernovas) revelaró que la expansión del universo está perpetuamente ganando ritmo. Sin embargo, nadie sabe qué es la materia oscura o de dónde viene.
El descubrimiento de Scranton et al. da solidez a la idea de la existencia de la materia oscura puesto que es completamente independiente del estudio de las supernovas. Este descubrimiento muestra que la materia oscura influye en las partículas de luz (fotones) que la radiación de fondo CMB radia por todo el espacio.
Todos los cuerpos que tienen masa se sienten atraídos entre sí debido a la ley de la gravitación. Este es el caso de que nosotros vivamos pegados a la superficie de la tierra o de que nuestro sistema solar siga girando aún.
Lo mismo ocurre cuando un fotón de la radiación de fondo pasa volando por una concentración de masa, como una galaxia. El fotón se siente atraído gravitacionalmente por ella, cae en un pozo gravitacional (como una pelota cayendo por una colina) y gana energía. Si el fotón quisiera salir del pozo, de la galaxia, tendría que escalar el pozo y perdería la misma cantidad de energía que le dieron al entrar, de forma que si atravesara el pozo su energía sería la misma que al comienzo.
Si, en cambio, el fotón se encuentra con una concentración de materia, por ejemplo una galaxia, pero que está rodeada de materia oscura, como la materia oscura es gravitacionalmente repulsiva, el pozo de potencial que atrae al fotón es más superficial, de forma que lo atraviesa quedando finalmente con una cantidad ligerísimamente mayor de energía que la que tenía inicialmente.
Ésta sería la razón por la que la radiación de fondo es más caliente (de 3K) en los lugares del universo donde hay más masa, o sea, donde hay más galaxias.
2. Estudio de galaxias a través de lentes gravitacionales.
C. S. Kochanek y N. Dalal han utilizado lentes gravitacionales para echar un vistazo a lo que podría ser materia oscura agrupada entorno a algunas galaxias distantes. Ellos comentan que: “No hay prueba de que esté ahí, pero los resultados están de acuerdo con lo que esperaríamos ver si estuviera.”
Las lentes gravitacionales actúan de la siguiente manera: si una cosa muy masiva (como una galaxia) está posicionada entre un telescopio terrestre y un objeto lejano en el universo (como un cuásar), la gravedad de la galaxia intermedia curva la luz (ondas de radio, visible, IR, etc.) a su alrededor y forma una imagen aumentada del objeto lejano como haría una lente convencional.
Las agrupaciones de materia oscura entorno a la galaxia podrían actuar como si fueran las imperfecciones en el vidrio de una lente. La luz pasaría a través de estas agrupaciones de materia oscura, pero su gravedad curvaría la luz en diferentes longitudes de onda.
Los científicos han estudiado siete galaxias, cada una aumentada por las cuatro más próximas. Estas cuatro imágenes de cada galaxia deberían ser iguales, dado que es la misma galaxia, y sin embargo son diferentes. Estudiaron si la diferencia entre las imágenes era suficiente para haber sido causada por el tipo de agrupación de materia oscura y encontraron que el modelo y las imágenes encajaban perfectamente. Actualmente están trabajando para medir el tamaño y la densidad de estas agrupaciones de materia oscura, con el fin de contar el total de materia perdida en el universo.
Conclusiones
Hay otras teorías recientes sobre alternativas a la materia oscura cósmica. Por ejemplo, una de ellas explica la diferencia entre materia directamente observable de las galaxias y la materia calculada recurriendo a la densidad de la energía del vacío, pero cuenta con escasos seguidores.
Está claro que hay muchas cosas en el espacio donde vivimos que no conocemos, que ni siquiera hemos visto, aunque podamos intuir o inferir que están ahí.
Cada cierto tiempo, algún científico sale a la palestra diciendo convencidamente que la física está acabada, que ya lo sabemos todo, pero a cada momento parece que el universo nos desafíe con nuevas incógnitas, con misterios profundos que nos toca descubrir.
Aceptar estos desafíos implica hacerse muchas preguntas sobre nosotros y sobre las cosas que nos rodean, cambiar algunos puntos de vista y algunas perspectivas. Hay muchas cosas que nos rodean, que existen, que podemos intuir pero no podemos ver. Y aún así, todo funciona.
Glosario
Big Bang
Evento que los cosmólogos consideran como el origen del universo, en el cual toda la materia y radiación del universo entero comenzó a existir.Clúster
Es una galaxia de galaxias. Las galaxias pueden arracimarse para formar grupos que se mantienen juntos debido a su atracción gravitatoria mutua.
Figura: HydraA - Optical (©NASA/CXC/SAO) Figura: HydraA - Radio (©NASA/CXC/SAO)
Figura: HydraA - Xray (©NASA(CXC/SAO)Observaciones hechas con rayos-X muestran que estos enormes sistemas de galaxias están inmersos en unas colosales nubes de gas caliente de una temperatura de cien millones de grados y cuya masa es aproximadamente igual a la suma de la masa de todas las galaxias que componen el cluster.
Cuásar
Objeto distante y muy luminoso que parece una estrella, pero no lo es. De hecho su nombre en inglés “QUASAR” proviene de las palabras “QUAsi stellAR objects”. Existe actualmente una fuerte evidencia de que los cuásares se producen debido a gas cayendo por un agujero negro supermasivo situado en el centro de una galaxia.
Figura: Cuásar 180 (© NASA)Galaxia
Es una colección de un gran número de estrellas unidas gravitacionalmente. Nuestro Sol es una de las estrellas que componen la galaxia de la Vía Láctea, llamada así porque la mayoría de sus estrellas visibles aparecen sobre nuestras cabezas en las noches oscuras y claras como una banda blanca cruzando el cielo.
Figura: Vía Láctea – Xray (© COBE/DIRBE/NASA)Lente gravitacional
Desviación de la luz proveniente de un objeto lejano debido a la presencia de un objeto masivo situado en primer término.
Figura: Lente Gravitacional (© CXC/M.Weiss)Por ejemplo, como se ve en la figura, los rayos-X y otras formas de luz de un cuásar distante pueden ser desviados debido al campo gravitacional de una galaxia intermedia. Esta desviación de los rayos puede producir varias imágenes del mismo cuásar y, generalmente, suelen tener diferentes aumentos y por tanto diferentes brillos. La galaxia que actúa como lente suele aparecer a menudo muy poco iluminada o incluso invisible.
Púlsar
Objeto que emite radiación en forma de rápidos pulsos con un característico periodo y duración. Generalmente se usan para describir la radiación pulsada que emite una estrella de neutrones giratoria.Radiación de fondo (CMB)
Radiación de microondas que viene de todas las direcciones en el universo y es la evidencia más palpable de que el Big Bang ocurrió. Para más información consultar la sección de “Tercer principio de la termodinámica. Temperatura”.Supernova
Muerte explosiva de una estrella. Puede producirse de dos maneras:- Tipo I: Reacción explosiva nuclear.
Una enana blanca en un sistema binario, que no puede soportar más su propio peso, colapsa gravitacionalmente. La temperatura llega a ser tan elevada que se produce una reacción de fusión del carbono. La reacción de fusión suele producirse simultáneamente a la explosión.- Tipo II: Colapso gravitacional seguido de una enorme onda de choque.
El núcleo estelar, altamente masivo y desarrollado, implosiona y luego explota, destruyendo la estrella circundante.Una supernova es uno de los eventos más energéticos del universo y, cuando se produce, puede eclipsar el resto de la galaxia donde reside la estrella que explota.
Figura: Crab Supernova – Xray (©NASA/CXC/SAO) Figura: Crab Supernova – Optical (©Palomar Obs.) Figura: Crab Supernova – IR (©W. M. Keck Obs. ) Figura: Crab Supernova – Radio (©VLA/NRAO) La nebulosa del Cangrejo (Crab Nebulae) es una de las supernovas más jóvenes y fue el producto de una explosión ocurrida en 1054 a. d. Se encuentra a 6.000 años luz de la Tierra. En su centro hay un púlsar que emite pulsos de radiación 30 veces/segundo.
Bibliografía
- “Direct evidence found for dark energy”, Ph. Ball, Nature 27/07/03.
- “Physical evidence for dark energy”, R. Scranton et al., Astrophysics (preprint), astro-ph/0307335, 2003.
- “Missing matter glimpsed?”, Nature 24/05/03.
- “Materia oscura”, A. Feinstein, H. Tignanelli, C. Feinstein, Astronomía Moderna.
- “Dark matter mistery”, X-Ray Astronomy Field Guide, Chandra X-Ray Observatory.
- “La alternativa a la materia oscura cósmica”, Entrevista con Robert H. Sanders, Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC).
Preguntas y respuestas
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