Descubrirás el concepto de materia oscura
Buscarás pruebas de la existencia de la materia oscura
Te sentirás atraído por la antimateria
Conoce los entresijos de la materia oscura y la antimateria
En este capítulo
Descubrirás el concepto de materia oscura
Buscarás pruebas de la existencia de la materia oscura
Te sentirás atraído por la antimateria
Las estrellas y las galaxias iluminan el cielo nocturno, pero estas joyas resplandecientes sólo representan una parte diminuta de la materia del cosmos. Hay mucho más en el universo de lo que está a la vista, mucho más.
En este capítulo se incluye una introducción al concepto de materia oscura, te muestra por qué los astrónomos están convencidos de que eso existe y describe experimentos que pueden arrojar luz sobre la naturaleza de ese misterioso e invisible material. También comento otro tipo exótico de materia del universo: la antimateria. Sí, la antimateria existe fuera de la ciencia ficción, y la versión del mundo real es tan fascinante como sugieren los libros, los programas de televisión y las películas de ciencia ficción.
En la década de 1930, un astrónomo encontró indicios de que la mayoría de la masa del universo no emite, refleja ni absorbe luz.
Este material invisible, conocido como materia oscura, sirve como pegamento gravitacional que impide que una galaxia que rote rápidamente se vaya separando y posibilita que las galaxias de movimiento rápido de un cúmulo se mantengan juntas. Asimismo, la materia oscura parece haber tenido un papel crucial en el desarrollo del universo tal y como lo conocemos hoy en día, una fina red de supercúmulos de galaxias inmensamente largos separados por vacíos gigantes (consulta el capítulo 12).
Los astrónomos han determinado que casi el 84 % de toda la materia del universo es materia oscura. Es una lección de humildad. Cuando miras el cielo nocturno u observas a través de un telescopio, ves un universo repleto de estrellas y galaxias, pero eso es sólo una diminuta fracción de lo que hay ahí fuera. Por utilizar una analogía náutica, si las galaxias son como espuma del mar, la materia oscura es el invisible y vasto océano en el que flota.
La primera pista de que el universo contiene materia oscura apareció en 1933. Mientras examinaba los movimientos de galaxias dentro de un gran cúmulo de galaxias de la constelación de Coma Berenices, el astrónomo Fritz Zwicky del CIT (Instituto de Tecnología de California) averiguó que algunas galaxias se mueven a una velocidad extraordinariamente elevada. De hecho, las galaxias del Cúmulo de Coma se mueven tan de prisa que todas las estrellas visibles y el gas del cúmulo no pueden mantener las galaxias vinculadas gravitatoriamente entre sí, según nuestras leyes de la física. Sin embargo, de alguna manera, el cúmulo se mantiene unido. (El Cúmulo de Coma está a unos 320 millones de años luz de la Tierra. Si quieres obtener más información sobre los cúmulos de galaxias, consulta el capítulo 13.)
Fritz Zwicky llegó a la conclusión de que debe de existir algún tipo de materia oscura invisible dentro del Cúmulo de Coma que proporciona la atracción gravitacional que falta.
Es habitual que los científicos no aprecien un descubrimiento increíble cuando sólo lo afirma una persona o equipo. Quieren más pruebas de expertos independientes antes de convencerse del último descubrimiento. Así, no es de extrañar que la materia oscura tardara décadas en llenar los titulares después del trabajo de Zwicky. Muchos astrónomos pasaron por alto su informe o pensaron que, tras estudiar los movimientos de las galaxias con mayor detalle, la base para la existencia de aquella supuesta materia invisible desaparecería.
En la década de 1970, los astrónomos empezaron a encontrar pruebas adicionales y convincentes de la materia oscura. No sólo los cúmulos de galaxias parecen contener materia oscura, sino que la materia oscura también se encuentra en galaxias concretas. En los siguientes apartados, describo los principales argumentos a favor de la existencia de la materia oscura.
La materia oscura hace que las estrellas orbiten de forma extraña
Vera Rubin y Kent Ford, de la Carnegie Institution de Washington, DC, estaban estudiando los movimientos de estrellas en cientos de galaxias espirales cuando obtuvieron un resultado que parecía ir en contra de la física convencional. Una galaxia espiral típica tiene forma de huevo frito. La mayor parte de su masa visible (estrellas y nebulosas brillantes) parece concentrada en la yema. Es lo que los astrónomos denominan bulbo (tal y como explico en el capítulo 12). Las imágenes revelan que la masa visible de una espiral disminuye rápidamente cuanto más distante está del bulbo.
Los astrónomos suponían que las estrellas de una galaxia espiral orbitan alrededor del centro de la galaxia igual que los planetas de nuestro Sistema Solar orbitan alrededor del Sol. Obedeciendo la ley de la gravedad de Newton, los planetas exteriores, como Urano y Neptuno, orbitan alrededor del Sol menos rápido que los planetas interiores, como Mercurio y Venus. Por lo tanto, las estrellas de los suburbios de una galaxia espiral deberían orbitar a una velocidad menor que las estrellas más cerca del centro. Pero eso no es lo que descubrieron Rubin y Ford.
En una galaxia tras otra, sus observaciones revelaron que las estrellas periféricas orbitan rápido, igual que las estrellas interiores. Con tan poco material visible en las regiones exteriores, ¿cómo consiguen las estrellas periféricas moverse tan rápido y permanecer vinculadas a la galaxia? Deberían escapar de su galaxia, teniendo en cuenta su velocidad. Rubin había descubierto señales serias de este comportamiento inesperado en trabajos anteriores; sin embargo, muchos astrónomos necesitaban que los convencieran. (Para obtener más información sobre la velocidad de escape, consulta el capítulo 13.)
Después de que los descubrimientos de Rubin y Ford se conocieran, los astrónomos llegaron a la conclusión de que la materia visible (las estrellas y el gas luminoso que aparecen en las fotografías telescópicas) compone sólo una pequeña parte de la masa total de una galaxia espiral.
A pesar de que la masa visible está realmente concentrada hacia el centro, una amplia cantidad de otro material debe extenderse más allá. Cada galaxia espiral está rodeada por un inmenso halo de materia oscura. Y para ejercer suficiente atracción gravitacional en las estrellas en las zonas periféricas visibles de las galaxias y hacerlas orbitar tan rápidamente como se observa, la materia oscura debe superar a la materia visible por un factor de 10 en masa. Otros tipos de galaxias, entre las que se incluyen las elípticas y las irregulares, también tienen halos de materia oscura. Las galaxias enanas (que describo en el capítulo 12) tienen proporciones incluso más elevadas de materia oscura respecto a materia visible que las galaxias grandes.
A partir de la década de 1990, los astrónomos que observaban cúmulos de galaxias con telescopios de rayos X en satélites como el ROSAT y el Observatorio de rayos X Chandra, cartografiaron enormes regiones dentro y alrededor de los cúmulos que brillan con los rayos X. Los brillos proceden de un medio intracúmulo de gas tenue y muy caliente. El gas caliente rellena esa enorme región y, aun siendo tan tenue, su masa total excede a la suma de las masas de todas las galaxias de un cúmulo.
El gas tenue y caliente tendería a expandirse, pero se queda en el cúmulo de galaxias por la atracción gravitacional de una masa que es mucho mayor que su propia masa más la masa de las galaxias del cúmulo. La fuente de esta potente gravedad es la materia oscura del cúmulo. Este hecho es una prueba más de que, en 1933, Fritz Zwicky estaba en lo cierto cuando afirmó que, en un cúmulo, la materia invisible (que ahora llamamos materia oscura) existe en cantidades enormes.
La materia oscura fría y un enigma básico sobre el universo
Los cosmólogos (científicos que estudian la estructura del universo y su formación a gran escala) también señalan a la materia oscura para explicar un enigma básico sobre el universo: ¿cómo aquella sopa casi uniforme de partículas elementales después del Big Bang (consulta el capítulo 16) logró su actual estructura grumosa de cúmulos y supercúmulos de galaxias?
A pesar de que hayan transcurrido 13.700 millones de años desde el nacimiento del universo, los científicos no creen que haya pasado suficiente tiempo para que la materia visible se una por sí misma en las enormes estructuras cósmicas que vemos hoy en día.
Para resolver este enigma cosmológico, algunos expertos afirman que el universo contiene un tipo especial de materia oscura, llamada materia oscura fría, que se mueve despacio pero que se agrupa más de prisa que la materia visible ordinaria. Respondiendo a la atracción de este exótico material, la materia ordinaria formó estrellas y galaxias dentro de las concentraciones más densas de materia oscura. Esta teoría explica por qué todas las galaxias visibles parecen estar incrustadas en su propio halo de materia oscura.
¿Es correcta la teoría de la materia oscura fría? Parece coincidir en general con los datos que tenemos sobre el universo, según les consta a los científicos. Sin embargo, esta coincidencia no es perfecta. Por ejemplo, en la teoría se predice que cientos de diminutas galaxias satélite rodearán a una gran galaxia como la Vía Láctea. No obstante, no vemos todas estas galaxias satélite. Las predicciones de la teoría puede que necesiten trabajo, o quizá necesitemos una teoría mejor de la propia materia oscura. O puede que haya galaxias pequeñas y tenues a nuestro alrededor que todavía no hemos descubierto.
Incluso es posible que los astrónomos no hayan encontrado suficientes galaxias satélite porque muchas de ellas fueron engullidas por las galaxias grandes alrededor de las que orbitan, como la Galaxia Enana de Sagitario y la Galaxia Enana de Canis Major, que actualmente están siendo absorbidas por la Vía Láctea (como explico en el capítulo 12).
La materia oscura es clave para la densidad del universo
Los astrónomos creen en la materia oscura por otra razón cósmica: a gran escala, el universo parece igual en todas las direcciones y tiene una homogeneidad general. Estas constantes apariencia y homogeneidad indican que el universo tiene la densidad justa de materia, denominada densidad crítica (que explico en el capítulo 16). La cantidad total de materia visible que observamos en el universo no es suficiente para lograr una densidad crítica. La materia oscura tensa la cuerda.
De acuerdo, los astrónomos tienen buenas razones para creer en la materia oscura. Pero ¿qué demonios es esa materia?
En general, los astrónomos dividen la materia oscura en dos clases: materia oscura bariónica y materia oscura exótica.
Materia oscura bariónica: grumos en el espacio
Parte de la materia oscura puede que tenga la misma composición que el Sol, los planetas y las personas. Este tipo de materia oscura formaría parte de la familia de los bariones, un tipo de partículas elementales que incluye los protones y neutrones que se encuentran en el núcleo de los átomos. Sin embargo, no es la materia oscura fría que menciono en el apartado anterior.
La materia oscura bariónica contiene todo el material difícil de ver formado por tipos conocidos de materia, lo que incluye a asteroides, enanas marrones y enanas blancas (describo las enanas en el capítulo 11). Sí, los científicos pueden detectar asteroides en nuestro Sistema Solar y enanas blancas y marrones cerca de la Vía Láctea. No obstante, lejos, en el halo galáctico, estos objetos pueden ser indetectables con la tecnología de que disponemos en la actualidad. Estos hipotéticos objetos del halo galáctico, conocidos como MACHO (por sus siglas en inglés, Massive Astrophysical Compact Halo Objets, objetos astrofísicos masivos del halo compacto), pueden explicar los halos de materia oscura que rodean a las galaxias individuales. (Comento la búsqueda de MACHO más adelante en este capítulo.) Sin embargo, no vemos suficientes para explicar el desarrollo de estructuras a gran escala en el cosmos. Creo que esta teoría probablemente sea incorrecta, y los científicos que la propusieron tendrán que aceptar su responsabilidad.
Materia oscura exótica: todavía más extraña
La otra clase de materia oscura puede estar formada por uno o más tipos de partículas subatómicas exóticas que se parecen poco (o nada) a los bariones. Estas partículas incluyen neutrinos, que realmente existen (consulta el capítulo 10 para obtener más información sobre ellos) y otras con nombres como axiones, squarks, fotinos y neutralinos que los físicos han soñado sin tener pruebas de su existencia. Se están llevando a cabo experimentos, pero, hasta la fecha, nadie ha capturado un axión ni otra partícula hipotética de materia oscura. Como mínimo, no la han capturado ni han convencido a otros científicos de su descubrimiento, por eso todavía se debe arrojar luz sobre la materia oscura.
Durante el Big Bang en el nacimiento del universo (consulta el capítulo 16), se pudieron haber formado un zoo de partículas raras de materia oscura y puede que todavía existan algunos tipos. Las partículas teóricas incluyen el axión, un tipo de agujero negro en miniatura 100 mil millones de veces más ligero que un electrón. Aunque los axiones (si existen) sean pesos pluma, en cantidad suficiente pueden ser importantes para la masa cósmica. Según experimentos recientes, el neutrino (una partícula que los científicos una vez pensaron que tenía masa cero) realmente tiene una masa muy pequeña pero real. Por eso, los neutrinos pueden representar una pequeña parte de la materia oscura.
Otros candidatos para la materia oscura exótica son más pesados (unas diez veces la masa del protón) pero siguen siendo insustanciales por lo que respecta a componer la materia oscura del universo, a menos que se den en grandes cantidades. Incluyen los compañeros que aún no se han detectado de ciertas partículas subatómicas conocidas como quarks y fotones. Estas hipotéticas partidas de materia oscura son los squarks y los fotinos. Existen muchas teorías que explican estas partículas de materia oscura y nombres fantasiosos para denominarlas. Los científicos se refieren colectivamente a dichas partículas como WIMP (weakly interacting massive particles, partículas masivas que interactúan débilmente).
Por todo el mundo, los físicos planifican o hacen funcionar sensibles detectores para encontrar signos escurridizos que revelen la existencia de materia oscura. Algunos de estos detectores están diseñados para analizar la basura subatómica creada por dispositivos gigantes que destrozan los átomos, y reproducen brevemente el calor, energía y densidades extremos que estaban presentes en el universo temprano.
Las técnicas de búsqueda deben ser innovadoras. Al fin y al cabo, los científicos están a la caza de material que, por definición, no podemos ver y, que, aparte de ejercer fuerza gravitacional, no interactúa con otra materia.
Todos los métodos para detectar y medir materia oscura son indirectos, pero intentar entender la materia oscura no es un pasatiempo sencillo. Como forma dominante de la materia del universo, la materia oscura influyó profundamente en el desarrollo pasado del universo y también afectará a su futuro.
Los astrónomos descubrieron la materia oscura a través de sus observaciones de galaxias. Ahora, los físicos realizan experimentos para encontrar partículas de materia oscura y aprender qué son.
Algunos experimentos relacionados con la materia oscura que están en marcha actualmente son:
Grandes detectores de partículas situados en laboratorios subterráneos a mucha profundidad, donde la roca que los rodea reduce la interferencia de los rayos cósmicos (partículas subatómicas de alta velocidad con carga eléctrica de tipos conocidos que proceden del espacio). Cuando la Tierra se mueve a través de la materia oscura de la Vía Láctea, se pueden encontrar partículas de materia oscura cuando éstas chocan contra los detectores.
Telescopios equipados para detectar rayos gamma celestes en naves espaciales como el Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi de la NASA. Un rasgo poco frecuente en el espectro de los rayos gamma puede indicar que alguno de ellos procede de partículas de materia oscura destruidas en el espacio.
Telescopios en tierra distribuidos formando una malla detectan destellos de luz visible que se generan cuando los rayos gamma celestes golpean la atmósfera. Un ejemplo destacado es el HESS (High Energy Stereoscopic System; Sistema Estereoscópico de Alta Energía) de Namibia. Los análisis de estos datos, como los procedentes del Telescopio Fermi, pueden revelar un rasgo espectral de los rayos gamma que identificaría la materia oscura de la fuente que los generó.
El espectómetro magnético Alfa (AMS-02) opera en la Estación Espacial Internacional. El AMS busca rayos cósmicos poco frecuentes que puedan ser producidos por neutralinos, un tipo de partículas teóricas de materia oscura. Cuando los neutralinos chocan unos con otros en el espacio, pueden crear los rayos cósmicos que busca el AMS.
Los avances de la tecnología posibilitan otros experimentos relativos a la materia oscura:
Potentes fragmentadores de átomos, como el Gran Colisionador de Hadrones, cerca de Ginebra (Suiza), que pueden hacer que las partículas subatómicas choquen entre sí a energías muy elevadas. Pueden generar partículas de materia oscura para su detección en el laboratorio.
Observatorios subterráneos de neutrinos (consulta el capítulo 10), que se pueden poner al día para hacer mejores mediciones de los neutrinos del Sol y revelar condiciones físicas cerca del centro solar. Estos experimentos pondrán a prueba la teoría de que el Sol ha acumulado una gran cantidad de materia oscura, concentrada hacia su centro.
Para obtener más información sobre algunos de estos experimentos relacionados con la materia oscura, consulta las siguientes páginas web:
Sitio web del Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi de la NASA (www.nasa.gov/ mission_pages/GLAST/main/index.html): Encontrarás noticias sobre la búsqueda de materia oscura y otros descubrimientos de Fermi.
Sitio web del AMS (Espectómetro Magnético Alfa) de la NASA (http://ams.nasa.gov): Un contador te dice cuántos miles de millones de rayos cósmicos ha medido desde que fue instalado en la Estación Espacial Internacional, en mayo de 2011.
Sitio web del HESS (Sistema Estereoscópico de Alta Energía (www.mpi-hd.mpg.de/hfm/HESS): Lee acerca de los muchos descubrimientos del HESS relativos a fuentes astronómicas de rayos gamma.
Gran Colisionador de Hadrones (http://public.web.cern.ch/public/en/lhc/lhc-en.html): Esta web es la página pública del Gran Colisionador de Hadrones, conocido como LHC, operado por el CERN (Centro Europeo de Investigación Nuclear).
Como los objetos MACHO no son microscópicos, como las partículas WIMP (partículas masivas que interactúan débilmente), son más fáciles de buscar. El método principal aprovecha el concepto complejo de la teoría de la relatividad de Einstein, a saber: la masa distorsiona el tejido del espacio y la trayectoria de las ondas de luz (tal y como describo en el capítulo 11), lo que significa que un objeto que esté en la línea de visión entre la Tierra y una estrella distante concentra la luz de esa estrella, y hace que parezca más brillante durante un breve lapso de tiempo. Cuanto más masivo sea el objeto (en este caso, un MACHO) más brillante parecerá la estrella durante la alineación.
De hecho, el objeto MACHO actúa como una lente gravitacional en miniatura o microlente, curvando y dando brillo a la luz de la estrella de fondo. (Consulta el capítulo 11 para obtener más información sobre microlentes.)
Para buscar objetos MACHO, los astrónomos han controlado el brillo de estrellas de uno de los vecinos más próximos de la Vía Láctea, la galaxia de la Gran Nube de Magallanes. Para llegar a la Tierra, la luz de las estrellas de la Nube debe pasar a través del halo de la Vía Láctea y objetos MACHO que residen en el halo que deberían tener un efecto medible en esa luz.
Los astrónomos han registrado varios fenómenos en los que las estrellas de la Gran Nube de Magallanes de repente brillaban y volvían a atenuarse. El número de objetos MACHO que se ha deducido a partir de esas observaciones no es destacable. Lo siento, E. T.
A escalas mayores, los científicos se aprovechan de la lente gravitacional para trazar mapas de la materia oscura de galaxias enteras e incluso de cúmulos de galaxias.
Si un cúmulo se encuentra en la trayectoria de la luz de una galaxia de fondo, la luz se curva y se distorsiona (un proceso llamado lente gravitacional) lo que crea imágenes múltiples del cuerpo situado al fondo. Se forma un halo de estas imágenes fantasma dentro y alrededor del cúmulo, visto desde la Tierra.
Los astrónomos han utilizado el telescopio espacial Hubble para fotografiar algunos cúmulos de galaxias con un gran número de imágenes fantasma de una galaxia distante, la cual aparece como cortos arcos brillantes vistos contra el cúmulo.
Para crear el dibujo exacto de las imágenes fantasma observadas, el cúmulo que interviene debe repartir su masa de una forma concreta. Como la mayor parte de la masa del cúmulo está formada por materia oscura, el proceso de lente gravitacional revela cómo se concentra la materia oscura en él.
Prepárate para otro tipo de materia casi tan rara como la materia oscura (o incluso más): la antimateria.
El físico británico Paul Dirac predijo la existencia de la antimateria en 1929. Combinó las teorías de la mecánica cuántica, el electromagnetismo y la relatividad en un elegante conjunto de ecuaciones matemáticas (si quieres conocer mejor sus teorías, tendrás que buscarlas en otra parte, esto no es un libro de física).
Dirac descubrió que, para cada partícula subatómica, debería existir una imagen especular gemela, idéntica en masa pero con carga eléctrica opuesta. Así, el protón tiene su antiprotón y el electrón, su antielectrón.
Cuando una partícula y su antipartícula se encuentran, se eliminan entre sí. Sus cargas eléctricas se cancelan la una a la otra y su masa se convierte en energía pura.
Los astrónomos han detectado antipartículas del electrón y el protón en los rayos cósmicos que provienen del espacio profundo. El antielectrón recibe el nombre de positrón y el antiprotón es el antiprotón. El AMS-02 (espectómetro magnético Alpha) de la Estación Espacial Internacional, que ya he mencionado en este capítulo, busca el antihelio que también puede existir en los rayos cósmicos. De hecho, los físicos han creado en el laboratorio antipartículas e incluso antiátomos completos, como el antihidrógeno. Los médicos utilizan rayos de antipartículas para diagnosticar y tratar el cáncer.
Los físicos han descubierto un cinturón de antiprotones dentro de los cinturones de radiación en los cinturones de Van Allen de la Tierra (que describo en el capítulo 5). Unos investigadores de Italia y otros lugares, descubrieron el cinturón de antiprotones en 2011 con el experimento de detección de partículas PAMELA (Payload for Antimatter Exploration and Light-nuclei Astrophysics; Carga para la Exploración de Materia/antimateria y Astrofísica de Núcleos Ligeros) en el satélite ruso Resurs DK1. (Si quieres obtener más información sobre PAMELA y sus descubrimientos, visita la web del proyecto, http://pamela.roma2.infn.it/index.php.)
Los astrónomos que estudian la radiación de alta energía del espacio han observado un tipo de rayo gamma conocido como radiación de aniquilación. Cuando un electrón y su antipartícula, el positrón, se encuentran, se aniquilan, liberando rayos gamma a una energía conocida de 511 kiloelectrónvoltios (keV). Estos rayos delatores han sido detectados en varios lugares de la galaxia, incluso en una amplia región en dirección al centro de la Vía Láctea. (Puedes ver un mapa de la radiación de aniquilación de la Vía Láctea, según las mediciones del satélite INTEGRAL de la Agencia Espacial Europea en http://sci.esa.int/science-e/www/object/index.cfm?fobjectid=45328.)
La radiación de aniquilación también ha sido detectada en algunas potentes fulguraciones solares (consulta el capítulo 10 para obtener más información sobre fulguraciones solares).
A escala cósmica, el gran misterio es: ¿por qué el universo contiene muchas más partículas que antipartículas? Hay experimentos en marcha para encontrar la respuesta. Muchos físicos piensan que el Big Bang forjó un número igual de ambas. Si eso fue lo que sucedió, desde entonces, un proceso físico desconocido ha alterado aquel equilibrio original entre materia y antimateria a favor de la materia.
Otra teoría, que plantea dudas a muchos astrónomos, es que la mayor parte de la antimateria del Big Bang ha sido reunida en regiones separadas en partes distantes del universo, donde existe en mayoría. Si nosotros, seres humanos hechos de materia ordinaria, fuéramos a esas regiones, seríamos destruidos porque la antimateria aniquilaría nuestra materia.
Al menos sabemos que tenemos miles de millones de años para resolver el problema de la falta relativa de antimateria antes de que el universo desaparezca y llegue a su fin definitivo (¡y nosotros con él!). Comento este tema en el capítulo siguiente.
Ron Cowen escribe sobre astronomía y el espacio para numerosas publicaciones y aportó el texto original de este capítulo. El autor, Stephen P. Maran, lo actualizó para las ediciones posteriores de Astronomía para Dummies. Todas las opiniones expresadas en este capítulo pertenecen al autor.