El ‘lado oscuro’ de la fuerza

Arnaldo González Arias 

 Según los cosmólogos, existe consenso en que para lograr comprender razonablemente las características del ‘universo oscuro’ será necesario encontrar una nueva física que, sin lugar a dudas, cambiará por siempre nuestra visión del cosmos.

En una especie de emulación de la realidad  con la ficción de la saga La Guerra de las Galaxias[1], para el próximo decenio se prevén tres proyectos internacionales con el fin de ganar información sobre el ‘lado oscuro’ del universo.  El primero es  el satélite Euclides, que proporcionará imágenes infrarrojas con calidad similar al telescopio espacial Hubble; otro es el Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura, que estimará distancias por efecto Doppler en el infrarrojo y, el tercero, el Gran Telescopio de Inspección Sinóptica, un sistema adicional e independiente para medir distancias y distorsiones gravitacionales en detalle,  a partir de imágenes en colores del sur del firmamento.

¿Por qué el ‘lado oscuro’?

En 1998  observaciones astronómicas de supernovas muy distantes, realizadas en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, indicaron que el Universo se expandía de forma acelerada. Algo difícil de creer inicialmente, más tarde la expansión acelerada se confirmó por diversos métodos independientes y muy precisos.  Por este descubrimiento S. Perlmutter, B.P. Schmidt y A.G. Riess, de EE.UU., recibieron en 2011 el premio Nobel de física. 

Hasta ese momento se sabía que las galaxias se alejaban unas de otras, pero no que lo hacían cada vez más rápido (eso es lo que significa ‘de forma acelerada’).  Según declaró el comité que otorgó el premio: "Han estudiado varias docenas de explosiones de estrellas, llamadas supernovas, y han descubierto que el Universo se está expandiendo a un ritmo cada vez mayor".  El jurado del Nobel apuntó que hace ya un siglo que se sabe que el Universo se expande (comenzando hace unos 14 mil millones de años), pero no había indicio alguno de su aceleración. Que inicialmente el resultado fuera difícil de creer y fuera necesario llevar a cabo una y otra vez múltiples comprobaciones, se debe a que la expansión acelerada contradice las leyes conocidas de la física.  Veamos esto en detalle.

El Big Bang, el Big Crunch y el Big Rip. 

La explosión originaria del universo, avalada por datos experimentales verificados   muchas veces, es conocida como el "Big Bang" o la Gran Explosión. 

Cuando tiene lugar una explosión, es de esperar que la velocidad de los fragmentos sea muy grande en los momentos iniciales, pero que después su velocidad se vaya reduciendo a medida que pasa el tiempo y los fragmentos se alejan unos de otros.  Ese era el modelo del universo más popular en los años 80 del siglo pasado, donde la supuesta desaceleración causada por la atracción gravitatoria lograría invertir la expansión. Se llegaría así hasta el “Big Crunch”, donde los fragmentos del universo se reunirían nuevamente en una masa única. 

Sin embargo, las observaciones precisas en supernovas realizadas por los laureados –explosiones finales de estrellas con la masa del Sol y sólo el tamaño de la Tierra– indicaban lo contrario. Los resultados mostraban un aparente absurdo: que  las galaxias, es vez de ir retardando su movimiento de expansión, se estaban acelerando.  A esa conclusión se llegó casi simultáneamente en ambos equipos de investigación donde participaban los galardonados. La nueva teoría recibió el nombre de “Big Rip” o Gran Desgarramiento, pues según este resultado las galaxias seguirán separándose indefinidamente hasta hacerse invisibles unas de las otras.

La energía oscura

Que en primera impresión el resultado pareciera absurdo se debe a que contradecía las leyes conocidas de la física, comprobadas hasta la saciedad en nuestra vida cotidiana.  De acuerdo a esas leyes, para que cualquier objeto se mueva aceleradamente es necesario que una fuerza neta, asociada a algún cambio de energía, actúe sobre el mismo.  Pero no era posible encontrar esa energía entre las energías conocidas.  En relación a estos resultados, el galardonado Schmidt ha expresado públicamente: "Adam Riess y yo intentábamos comprender este resultado sorprendente, tratábamos desesperadamente de encontrar lo que no encajaba". Y más adelante: "Parecía demasiado increíble para ser verdad. Estábamos algo asustados".  Para tratar de explicar la contradicción se introdujo el término de ‘energía oscura’, que sería un tipo de energía por ahora desconocida, capaz de generar las fuerzas de repulsión causantes de acelerar la expansión.  Según ha declarado Permutter en su página WEB personal de la Universidad de Berkeley: "Nuestros estudios sobre las supernovas, encaminados inicialmente a medir la desaceleración de la expansión del universo bajo el efecto de la gravedad, demostraron en realidad su aceleración. Este resultado inesperado sugiere que la mayor parte del universo –alrededor del 75 por ciento– podría estar esencialmente constituido por una energía hasta ahora desconocida, la denominada energía oscura, que es responsable de la aceleración de su expansión".   Lo de oscura no proviene de que sea más o menos’ visible’ que otras energías, sino de que no existe en la actualidad la menor idea acerca de su posible origen.  De ahí la ‘oscuridad’.  Los estimados actuales del valor que debe tener esa energía para vencer la atracción gravitatoria, y además acelerar la expansión de las galaxias, es algo menor que el considerado por Permutter.  La cifra actual es de un  69% de la energía total en el universo.

Y por si fuera poco, también tenemos ‘materia oscura’

La energía oscura no se debe confundir con la materia oscura. En cosmología, esta última es  un tipo de materia que, según los estimados, comprende el 27% de la materia total del universo.  Su nombre hace referencia a que no emite ningún tipo de radiación electromagnética (como la luz u ondas de radio). De hecho, aparentemente tampoco la absorbe. Y la pregunta inmediata sería: ¿y cómo sabemos que está ahí?

Los primeros indicios de la existencia de la materia oscura datan de 1933.  El astrofísico Fritz Zwicky, del Instituto Tecnológico de California llegó a esa conclusión mediante razonamientos sobre las discrepancias entre la masa estimada de las galaxias por su interacción gravitatoria con otras galaxias y la calculada por el brillo total del cúmulo; la diferencia era del orden de 400.  Sin embargo, la importancia de su descubrimiento fue relegada por casi cuarenta años.  No fue hasta 1970 que Vera Rubin, del Instituto Carnegie de Washington, logró obtener evidencias definitivas de la existencia de la materia oscura a partir de las curvas de rotación de las galaxias, comenzando con la Galaxia de Andrómeda.  Vera Rubin alcanzó el reconocimiento de Doctora honoris causa de varias universidades, entre ellas Harvard y Yale, y fue miembro de la Academia Nacional de Ciencias de Estados Unidos y de la Academia Pontificia de las Ciencias.

En la figura 1, la curva inferior representa la velocidad que deberían tener las estrellas de una galaxia espiral en función de la distancia al centro galáctico,  calculada a partir de las leyes conocidas de la física (conservación del momento angular).    La superior representa la velocidad de rotación observada mediante espectrógrafos muy sensibles, velocidad que se mantiene constante en órbitas que se encuentran a distancias muy diferentes del centro.  Este resultado sugería que la gravedad newtoniana no se aplica universalmente; la otra posibilidad era que más del 50% de la masa de las galaxias estaba contenida en el relativamente oscuro borde de la galaxia, donde casi no se observan estrellas u otro tipo de materia.

Un resultado adicional que refuerza la existencia de la materia oscura se basa en los efectos de la gravitación sobre la luz proveniente de galaxias lejanas, como se ilustra en la figura 2, las llamadas ‘lentes gravitacionales’.  La trayectoria de la luz que proviene de esas galaxias se curva cuando pasa cerca de objetos masivos de materia oscura, y las galaxias se observan distorsionadas.  Midiendo el grado de distorsión y comparando unas con otras se puede inferir la localización y tamaño de la materia invisible (círculos punteados en la figura). 

El efecto de lente gravitacional se presenta en sistemas como el Cúmulo Bala, uno de los cúmulos de galaxias más calientes que se conoce, formado por dos cúmulos en colisión (figura 3).  Los resultados más concluyentes fueron inferidos a partir de las observaciones del satélite Chandra publicados en dos artículos de 2004 por Markevitch et al. y Clowe et al.  Las emisiones de Rayos X se acentúan en dos regiones oscuras cerca de las galaxias visibles, fortaleciendo la idea de que la mayor parte del sistema es materia oscura no afectada por las colisiones.

Mientras que la energía oscura tiende a acelerar la expansión del universo, la materia oscura tiende a atraer y unir sus diferentes partes, de manera que estas dos ‘oscuras’ entidades llevan a cabo una batalla cósmica de proporciones gigantescas, sin que exista hasta el momento una explicación definitiva para alguna de ellas.[2] Según los cosmólogos, existe consenso en que para lograr comprender razonablemente las características del ‘universo oscuro’ será necesario encontrar una nueva física que, sin lugar a dudas, cambiará por siempre nuestra visión del cosmos.

Y aquí cabría añadir: ‘que la fuerza os acompañe¨.

Referencias:

1.     Catherine Heymans, The Dark Universe, IOP Publishing Ltd 2017

2.     http://www.amnh.org/education/resources//rfl/web/essaybooks/cosmic/p_rubin.html

3.      http://www.cosis.net/abstracts/COSPAR2006/02655/COSPAR2006-A-02655.pdf

Figura 1.  Velocidad de rotación de las estrellas en función de la distancia al centro de la galaxia. (A) Teoría clásica newtoniana; (B) experimento. (Adaptada de https://es.wikipedia.org/wiki/Materia_oscura?oldid=95828001).

Figura 2.  Lentes gravitacionales. (Tomada de Catherine Heymans, The Dark Universe, IOP Publishing Ltd 2017).

Figura 3.  Galaxias en colisión. Cúmulo Bala. (Adaptado de https://es.wikipedia.org/wiki/C%C3%BAmulo_Bala?oldid=82716906)