Orígenes. El universo. Capítulo 5 - Nuevos Componentes

Echándome la manta a la cabeza, me he propuesto resumir el capítulo 5 de este interesantísimo y complejo libro.  El capítulo está dividido en tres subcapítulos. Materia oscura, energía oscura y oscilaciones bariónicas. ¿Quién de nosotros no ha oído hablar del lado oscuro del universo? ...jeje, Por cierto, me pregunto quién pone los nombres en Astrofísica, para poder decirle que es muy poco original, ¡todo es oscuro!! Y luego, nos sorprendemos si los profanos nos confundimos y la liamos. Pero vamos a ver si he entendido algo del capítulo y he sido capaz de ver algo de luz entre tanta opacidad y os explico qué diferencia hay entre estos conceptos tan complejos y negruzcos. Si he metido la pata en algo por favor decidlo que aquí estoy para aprender y no soy en absoluto una experta. ¡Ah! Si alguien puede explicarme qué diferencia hay entre materia oscura y perdida se lo agradecería, aunque no se trate en este capítulo. También quisiera agradecer y felicitar a Gaspar Sánchez y Jorge Bueno por sus espléndidos resúmenes.

Materia oscura

En primer lugar, un poco de historia. Se considera al astrónomo de origen búlgaro pero afincado en Suiza, Fritz Zwicky como una de las personalidades más brillantes y complejas del siglo XX. Físico y matemático que combinaba una enorme capacidad de trabajo con una febril imaginación. Personaje contradictorio de difícil trato, pero sincera generosidad. Es realmente uno de los protagonistas de todo el capítulo, aunque no el único, claro.

Fritz divisó por primera vez conceptos como el de las estrellas de neutrones y explosiones de supernovas como la fase final de la evolución de las estrellas masivas. Ideó el uso de supernovas como candelas estándar que permiten medir distancias a objetos cósmicos. También divisó la existencia de lentes gravitacionales y la presencia de materia oscura en el universo.

Su mayor descubrimiento fue observando el Cúmulo de Galaxias Coma. Y para hacérnoslo fácil, el autor nos pone como ejemplo nuestro Sistema Solar en el que se observa la tercera ley de Kepler, que relaciona el tiempo de traslación de un planeta alrededor del Sol y la distancia entre ellos. El Sistema Solar es, desde un punto de vista gravitatorio, sencillo porque casi toda la masa se encuentra en el centro. En un sistema más complejo, como el Cúmulo Coma, hay muchas masas moviéndose unas en torno a las otras y la situación se complica, aunque es matemáticamente similar.

Primera evidencia. Ya en 1930 se podían observar más de mil galaxias en un espacio relativamente pequeño como es el Cúmulo Coma.  Todas orbitando en un centro común cerca del cual residen dos galaxias elípticas supergigantes. Igual que en nuestro Sistema Solar, una galaxia que se moviera demasiado rápido habría sido expulsada del cúmulo y otra que se moviera demasiado despacio habría sido engullida por las galaxias supergigantes, pudiendo haber ocurrido innumerables veces. Existe un equilibrio físico expresado en una ecuación matemática llamada teorema del virial que promedia las velocidades de los objetos que forman el cúmulo y su masa total.

Fritz Zwicky en 1933 presento su primer trabajo sobre la distribución de velocidades de galaxias en el Cúmulo de Coma, y la comparación de estas velocidades con la masa total del mismo. Usando el teorema virial esperaba que las velocidades fueran del orden de 80 Km/s pero inesperadamente, el resultado que obtuvo fue de 1.000 Km/s. Completamente seguro de haber hecho un buen trabajo y que sus mediciones eran correctas, solo le quedaba la opción de pensar que en el cúmulo había más masa de la que se podía ver. A esa masa la llamó materia oscura.

Segunda evidencia.  Para esta tuvieron que pasar casi 40 años, gracias a la gran astrónoma americana Vera Rubin, mientras analizaba curvas espectrales. Rubin, encontró que la velocidad de giro del material de la galaxia espiral que estaba midiendo, tendía hacia una velocidad límite constante al acercarse a la zona exterior del disco. La única posibilidad de que esto ocurra es postulando que existe una gran cantidad de materia, no luminosa, que rodea a las galaxias espirales, materia oscura. Desde entonces se ha confirmado con innumerables observaciones.

Tercera evidencia. De nuevo Zwicky, se adelantaba a su tiempo. Una de sus ideas fue la posibilidad de detectar lentes gravitatorias, que son imágenes muy distorsionadas de objetos celestes producidas cuando la luz que emiten atraviesa una zona donde la influencia del campo gravitatorio de otro objeto cercano es muy intenso. El análisis de múltiples imágenes distorsionadas y espejismos cósmicos permite calcular la masa del objeto cercano causante de las distorsiones. Con este método, y el Telescopio Espacial Hubble con su punto de observación fuera de la atmosfera terrestre, se ha medido la masa de cantidad de galaxias y cúmulos de las mismas. Una vez más, el resultado de las mediciones de las masas indica que contienen más materia de la que podemos ver.

Qué no es. En primer lugar, no puede estar formada por objetos habituales que no emiten luz, como agujeros negros, planetas o estrellas, ya que existen observaciones que han puesto límite superior a la abundancia posible de esos objetos, y que es inferior a la cantidad necesaria para explicar la materia oscura observada. Por otra parte, las condiciones iniciales del Universo (la composición química inicial) también limitan la cantidad de materia oscura que pueda estar formada por partículas conocidas, que son menos de la quinta parte, excluyendo también a los neutrinos (que si formarían parte de la materia oscura)

Lo que sí es. Propiedades. Evidentemente tienen masa, ya que reaccionan gravitacionalmente sin participar en otras interacciones. No tiene carga eléctrica y no interacciona, que se haya visto, a través de ninguna otra fuerza con el resto de las partículas.

Los físicos tendrán que buscar una partícula en el Modelo Estándar o fuera de él que encaje en todo ello, ¡a por el reto!

Energía oscura

En 1995 el modelo del Big Bang estaba bien establecido, aunque sus parámetros no habían sido medidos con precisión. Se sabía que el universo estaba en expansión y saber la velocidad a la que se expandía (constante de Hubble H₀) y la que se frena (constante de frenado q), era uno de los objetivos para entender el origen y el futuro del universo, con la esperanza de que el Telescopio Espacial Hubble ayudara a ello. Para conocer la constante de frenado, se intentó medir la densidad de materia-energía del Universo, ya que es esta densidad, por acción gravitatoria, la que actúa como resistencia a la expansión.

Un poco de geometría. La densidad del universo (ρ) se suele medir en comparación con densidad crítica (ρ_crit): que es el valor exacto que separa el universo en eterna expansión de un universo que eventualmente se frenará y colapsará de nuevo. Para este coeficiente suele usarse la letra griega omega Ω = ρ/ρ_{crit .}   De modo que según los resultados que obtengan:

 

Ω = 0 correspondería a un universo vacío

0< Ω < 1 a un universo en eterna expansión

Ω = 1 a un universo con densidad crítica

Ω > 1 a un universo que recolapsaría a una singularidad

 

Desde un punto de vista estrictamente geométrico, la densidad crítica representa también soluciones diferentes al de modelo de universo. De manera que:

 

Comparando densidades con línea espacio – tiempo

Densidad Ω > 1 Universo cerrado - Esférico

 

 

Densidad Ω < 1 Universo abierto - Hipérbola

 

 
Densidad Ω = 1 Universo plano - Euclidiano

 

 
 

Experimentación. También en ciencia se cae en expectativas sesgadas, como nos ocurre muchas veces a todos nosotros. La gran mayoría de los astrónomos estaban de acuerdo en que el resultado debía ser Ω = 1 y que la velocidad de expansión tenía que ser de 50-100km/s/Mpc. Pero muchas de las mediciones daban una densidad de Ω < 1

 

Así que se pusieron manos a la obra para saber el resultado correcto, Para lograr este objetivo idearon un experimento basado en una de las muchas ideas de Fritz Zwicky (el de la materia oscura). Pues bien, recordareis de capítulos anteriores que en la evolución estelar existían ciertos umbrales de masa que una estrella debía superar para poder alcanzar nuevas reacciones nucleares, de lo contrario la estrella agotaba su combustible y moría convirtiéndose en una enana blanca. Pero a veces, estos cadáveres forman parte de un sistema binario y poco a poco pueden ir atrayendo el material de su compañera haciendo que crezca su masa. Cuando esta masa llega aproximadamente a 1,38 veces la masa del Sol, se produce una explosión llamada supernova tipo Ia. Se sabe que esta explosión se da cuando la estrella tiene una masa muy concreta, lo que hace que pueda considerarse que todas las supernovas de este tipo son idénticas entre sí, y se utilizan para estimar distancias con gran precisión y averiguar la energía exacta que ha liberado. Conociendo esta energía y comparándola con la de la Tierra podemos, aplicando la ley inversa del cuadrado, calcular la distancia a la que se encuentra la supernova. Combinando estas distancias con las medidas de corrimiento al rojo (Redshift), se obtiene la estimación aproximada de la velocidad a la que se ha ido expandiendo el universo en cada época.

 

En dos estudios publicados independientemente en 1998 y 1999, se anunció un resultado inesperado. Las observaciones mostraban que la expansión del universo no solo no se frenaba, sino que, ¡se estaba acelerando! Es decir, no solo la atracción gravitatoria no era suficiente para desacelerar la expansión, sino que tenía que existir un “ente” que desconocíamos que compensara la fuerza de la gravedad y la acelerara. Este “ente” es el que llamamos energía oscura.

 

El cosmólogo John Wheeler resume la ecuación de campo de Einstein diciendo “el espacio-tiempo le dice a la materia como debe moverse y la materia le dice al espacio-tiempo como debe curvarse” La visión sesgada que tenía Einstein del universo no le permitía aceptar que no fuera infinito, y colocó en la formula una constante cosmológica que actuaba como una energía que la dotaba de densidad constante. Me explico, mientras para un gas la densidad y la presión se reducen cuando el volumen aumenta, la energía oscura actúa de modo que a pesar de que el universo se expanda, lo hace manteniendo la densidad. Esa constante hoy, la llamamos energía oscura.

 

De la energía oscura desconocemos qué tipo de ente (partícula, fuerza, campo, energía) puede tener las propiedades que se necesitan para este fenómeno. Hay trabajo para mucho tiempo.

 

Oscilaciones bariónicas

Por lo visto, las oscilaciones bariónicas son tan importantes como herramienta para la investigación como lo son las candelas estándar. Poder observar la escala del pico bariónico actúa como regla estándar.

Pero, ¿qué es un pico bariónico? Imaginémonos tirando guijarros a las tranquilas aguas de un lago mientras nos entretenemos viendo como cada uno de ellos genera las conocidas ondas circulares en el punto donde se hunde y se cruzan una con otras. Ahora imaginemos que el agua del lago se congela de golpe, dejando impresas las ondas y el lugar exacto donde cayó la piedra. Pues algo parecido ocurre cuando los astrónomos observan el fondo cósmico de microondas.  

 

Lo mismo ocurre con la distribución de materia del universo. Desde el mismísimo origen existieron pequeñas inhomogeneidades en ella, y estas dieron lugar a ondas de presión/densidad que se desplazaron por el medio (como las ondas de nuestro lago) compuesto de materia y radiación, a la velocidad de la luz. Recordemos que hace 380.000 años en el universo se produjo la recombinación (momento en el cual por primera vez se unieron electrones y protones) y los fotones se liberaron de la materia (mientras formaban el fondo cósmico de microondas), y estas ondas con forma de coronas esféricas quedaron “congeladas” a una distancia igual a la que habían viajado hasta ese momento. Hoy podemos observar esas “huellas” en los mapas de fondo cósmico de microondas y constatar que esas superficies esféricas contenían ligeras sobredensidades en comparación con el resto del universo y que en esos puntos más densos (picos bariónicos) es donde podemos encontrar más densidad de galaxias.

Me ha quedado un poco largo, lo siento :)