Los dos misterios principales de la astronomía: la materia y la energía oscura

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Los dos misterios principales de la astronomía: la materia y la energía oscura
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Astronomía: Materia oscura y energía: ¿misterios inexistentes?

Tomemos los dos misterios más grandes de la astronomía y la física de hoy, aquellos sobre los que los científicos han estado furiosos durante décadas, la materia y la energía oscura. Imaginemos ahora que podemos resolverlos simplemente diciendo que no existen y que creamos el problema al no entender lo que estábamos observando. Esto es exactamente lo que hizo el astrónomo André Maeder, de la Universidad de Ginebra, con una serie de artículos, en los que se enfrentó por primera vez a la energía oscura y, finalmente, en el publicado el mes pasado en The Astrophysical Journal, a la materia oscura.

El hilo que une estos estudios, y que es la base de sus resultados, se basa en una simple observación: en el vacío, a nivel cosmológico, no existe una escala de duración y tiempo de referencia ya que no hay nada que los defina. Esto significa que el espacio vacío a nivel cosmológico disfruta de la invariabilidad de la escala, es decir, sus características no cambian si el espacio y el tiempo son escalados por un factor común. Sería como decir que una ruta de 10 kilómetros y mil disfrutan de las mismas propiedades: en la Tierra no es cierto, ya que hay llanuras, valles, montañas, pero en el vacío de hecho no hay nada que permita distinguirlas. Maeder sólo tuvo que asumir esta propiedad de forma consecuente para poder dar un título muy evocador a su última publicación: “Efectos dinámicos de la invariabilidad de la escala del espacio vacío: la caída de la materia oscura”.

Una respuesta afirmativa a esta pregunta cerraría una cuestión que ha estado abierta durante 80 años. Fue en realidad en 1927 cuando el astrónomo suizo Fritz Zwicky, observando algunos cúmulos de galaxias, notó que había algo extraño. Eran objetos que habían sido descubiertos hacía unos años: cuando los telescopios habían dado la oportunidad de ver más allá de los límites de la Vía Láctea con suficiente claridad, se habían observado miles y miles de galaxias y también se descubrió que normalmente están agrupadas en grupos o en cúmulos reales, conteniendo desde cientos hasta miles de galaxias. Estos se mueven dentro de ellos a una velocidad que depende de la cantidad de material contenido en el cúmulo.

Zwicky primero notó que las galaxias parecían moverse demasiado rápido comparado con la masa visible, que es la suma de las otras galaxias. Por lo tanto, debe haber habido una gran cantidad de materia invisible para justificar los movimientos de las galaxias, incluso hasta cien veces más que la visible en forma de galaxias. Con la progresiva mejora de los instrumentos y técnicas de observación, una parte de esta masa faltante fue encontrada, consistiendo principalmente de un gas a millones de grados que llena los cúmulos pero, aún así, hasta el 90% de la masa sigue sin ser atractiva.

Un problema similar surgió cuando se midieron los movimientos de las estrellas en galaxias hasta una gran distancia del centro. Una vez más, se encontró que las estrellas, especialmente en las regiones exteriores, se mueven demasiado rápido en relación con la cantidad de materia visible. Fue este descubrimiento en 1970 el que llevó a la astrónoma americana Vera Rubin a acuñar para esta masa desaparecida el nombre de “materia oscura”, llamado así porque no emite ni absorbe luz y es imposible de observar. Las últimas observaciones indican que la materia oscura representa alrededor de una cuarta parte del contenido del universo, concentrada principalmente en cúmulos, mientras que la materia ordinaria de la que estamos compuestos sólo alcanza el 5%. El 70% restante representa el otro gran misterio en el que los astrónomos han estado luchando desde 1998.

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En ese año, de hecho, se hizo y analizó una colección de observaciones de supernovas de clase I en galaxias distantes. Este tipo de supernova ocurre cuando una enana blanca -lo que queda de las pequeñas estrellas de masa cuando cesan las reacciones nucleares- supera las 1,4 masas solares al recoger materia. Cuando esto sucede, la materia en el núcleo de la estrella ya no es capaz de soportar la presión y colapsa produciendo una reacción nuclear instantánea que desintegra a la enana blanca. La explosión tiene la característica de producir un brillo muy preciso y muy alto que hace que las supernovas sean instrumentos ideales para medir la distancia de las galaxias en las que ocurren.

Cuando los astrónomos analizaron los datos que habían recolectado, se sorprendieron mucho: los resultados mostraron que la expansión del universo, en lugar de reducirse bajo el efecto de la gravedad, se está acelerando. Para explicar este fenómeno inesperado era necesario plantear la hipótesis de la existencia de una forma de energía que impregna el espacio vacío. De hecho, al insertar esta energía en la ecuación de campo de Einstein – l

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El modelo cosmológico con invariancia de escala

El modelo actual que describe el universo, llamado LCDM, se basa en la Relatividad General y establece el comienzo del universo con el Big Bang hace unos 13.700 millones de años. Esto fue seguido por una fase de expansión que se ralentizó hasta que la energía oscura se convirtió en el componente dominante, acelerando de nuevo la expansión. La L representa la energía oscura, mientras que CDM representa la materia oscura fría, es decir, la materia oscura fría, que representa el otro componente dominante del universo (el frío está formado por partículas masivas que se mueven a velocidades mucho más bajas que la luz). Sugerir a Maeder una alternativa a este modelo era una declaración sobre los supuestos en los que se basa. “En este modelo hay una hipótesis de partida que, en mi opinión, no se ha tenido en cuenta -explicó-, es decir, la invariabilidad de la escala del espacio vacío; es decir, que el espacio vacío y sus propiedades no cambian tras una dilatación o contracción.

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En general, las leyes de la física no gozan de invariabilidad de escala. Entre éstas se encuentra también la teoría de la Relatividad General, que es en la que se basan las ecuaciones que describen el universo. En el pasado, como parte de otras investigaciones, se ha intentado reformular la ecuación de campo para hacerla invariable, pero sin éxito. La presencia de la materia, de hecho, define las escalas de espacio, tiempo y masa, rompiendo la invariancia de la escala. Sin embargo, incluso si alguna materia está presente en todas partes, el universo está en gran parte vacío, y el vacío goza de la invariabilidad de la escala. Al insertar esta suposición en la ecuación de campo y aplicarla a la cosmología, Maeder, en un estudio publicado a principios de este año, demostró que a nivel cosmológico emerge una fuerza repulsiva que es totalmente similar a la que debería ser generada por la energía oscura. La invariabilidad de la escala la hace completamente superflua para explicar de manera natural la expansión acelerada del universo.

Después de estudiar las consecuencias de la hipótesis de la invariabilidad de la escala a nivel cosmológico, Maeder ha verificado qué tipo de consecuencias habría sobre la ley de la gravitación universal de Newton. De hecho, esto se deriva directamente de la ecuación de campo bajo ciertas suposiciones y describe la fuerza de gravedad bajo la mayoría de las condiciones. Sorprendentemente, la invariancia de la escala en la ecuación de campo modifica ligeramente la ley de Newton, haciendo que aparezca un nuevo término, muy pequeño, que representa una aceleración hacia afuera. Este es un término que es insignificante en presencia de altas densidades de masa, pero que adquiere importancia en presencia de bajas densidades como en las regiones externas de las galaxias o en los cúmulos.

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La ley modificada de Newton, una vez aplicada a los cúmulos, lleva a obtener masas de 5 a 10 veces más pequeñas que las obtenidas con la fórmula clásica, una masa en línea con la de la materia realmente visible. Por lo tanto, este resultado parece dejar poco espacio para la existencia de materia oscura. Incluso aplicada dentro de las galaxias, la ley modificada mostró el mismo efecto. Los cálculos muestran un fenómeno particular, una aceleración progresiva en el tiempo de la velocidad de rotación de las estrellas en las regiones exteriores de la galaxia. Por lo tanto, la excesiva velocidad actual de las estrellas externas, atribuida a la presencia de materia oscura, sólo sería un efecto del envejecimiento de la galaxia. De hecho, algunos estudios recientes sobre la rotación de galaxias recién formadas parecen confirmar la teoría de Maeder, pero todavía están debatidos y necesitan más investigación. Si se confirmara el fenómeno, constituiría una prueba muy sólida a favor de la teoría. Un tercer resultado explica finalmente el aumento en la dispersión de la velocidad de oscilación de las estrellas alrededor del plano galáctico. Se ha observado que esto aumenta con la edad de las galaxias, pero el mecanismo que causó el fenómeno hasta hoy era desconocido.

Si se confirmara la teoría de Maeder, 80 años de conjeturas sobre la materia oscura y 20 años sobre la energía oscura serían barridos en un instante, abriendo una nueva página en astronomía. “El anuncio de este modelo, que resuelve en última instancia dos de los mayores misterios de la astronomía, sigue siendo fiel al espíritu de la ciencia: nada puede darse por sentado, ni siquiera en términos de experiencia, observación o razonamiento de los seres humanos”, concluye Maeder.

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