Doctor Octavio Valenzuela
Observar el cielo estrellado durante una noche sin Luna, en un paraje oscuro, es impresionante, dado el gran número de estrellas que pueden observarse. Cada una de estas estrellas es similar a nuestro Sol, aunque la mayoría de las que son visibles son más grandes. A pesar del impresionante espectáculo, las estrellas representan probablemente sólo una modesta fracción de la materia en nuestro Universo.
Vivimos en la superficie de un planeta rocoso llamado Tierra, y, a pesar de la rotación de ésta, nos mantenemos en dicha superficie gracias a la fuerza de atracción de la gravedad. Esta fuerza es la responsable de lo que conocemos cotidianamente como peso de los objetos. La gravedad es responsable también de que la Tierra se traslade alrededor del Sol y de que el Sol a su vez gire alrededor del centro de nuestro sistema local de estrellas gas y polvo, llamado galaxia de la Vía Láctea, a más de 700 mil kilómetros por hora, sin salir disparados fuera de la Galaxia debido a la aceleración centrífuga.
Esta velocidad de rotación depende de la masa de la galaxia y de nuestra distancia al centro de la misma. Estudiando cómo se mueven las estrellas y el gas en las galaxias y las galaxias mismas en los grupos y cúmulos de galaxias, los astrónomos pueden pesar dichos objetos astronómicos.
AGRUPACIONES DE GALAXIAS
Dicho de manera más precisa, es posible crear mapas de la distribución de masa total a partir de mapas de los movimientos del gas y las estrellas dentro de los objetos astronómicos, tales como las galaxias o agrupaciones de las mismas. La luminosidad de una galaxia podría considerarse también una medida de su masa. Ésta es, quizás, la idea más intuitiva; sin embargo, esta estimación está restringida a representar sólo las componentes que emiten luz, principalmente la masa en estrellas y gas.
Este tipo de estudios astronómicos han llevado a una contradicción sorprendente: el contenido de material total, medido a partir de los movimientos internos del gas y las estrellas en las galaxias, es bastante mayor a la masa asociada con sus componentes luminosos. Es natural, durante el proceso científico, el cuestionarse si las estimaciones son precisas.
Debido a esto se han implementado métodos alternativos para pesar las galaxias y los cúmulos de galaxias. Posiblemente el más poderoso hace uso de la desviación de la dirección de la luz en el campo gravitacional de los objetos, llamado también técnica del lente gravitacional. Este efecto de lente es una predicción directa de la teoría general de la relatividad, confirmada por vez primera en 1919 por Arthur Edington, durante un eclipse solar.
MATERIA INVISIBLE
Los resultados modernos confirman que hay efectivamente una discrepancia entre la masa total y la masa luminosa en las galaxias y sus agrupaciones. Una posible explicación para esta discrepancia es que hay materia no detectada a la que se ha llamado oscura, dado que todo indica que no emite luz. Esta materia llamada oscura, aunque más correctamente debería llamarse materia invisible, muy probablemente no conste de estrellas, gas o átomos, ya que implicaría que algunos elementos químicos conocidos no existirían.
Por ejemplo, el deuterio es un elemento químico originado en los primeros minutos del Universo, y es altamente sensible a la abundancia cósmica de neutrones y protones, los cuales componen el llamado material bariónico. Se llama barión a las partículas compuestas de partículas más fundamentales, llamadas quarks.
Las razones por las cuales el deuterio es tan buen indicador de la densidad de bariones, son: 1) La fuerza con la cual están ligados los componentes de un núcleo de deuterio. En el lenguaje de los físicos nucleares, la baja energía de ligadura de un núcleo de deuterio hace a éste muy frágil. 2) El deuterio producido en el interior de las estrellas no puede salir, pues, dada su fragilidad, se transforma en helio. ¡Debido a esto, el deuterio que podemos medir ahora es fantásticamente un fósil de los primeros minutos del Universo! Si toda la masa faltante en las galaxias estuviera compuesta de bariones, la presencia de deuterio sería prácticamente nula, ya que los núcleos de deuterio se habrían convertido en Helio.
PARTÍCULAS FUNDAMENTALES
Por esta razón, se cree que la materia oscura puede estar compuesta de partículas fundamentales no bariónicas, llamadas en ocasiones partículas exóticas. La materia oscura sería la responsable, además, de la sobrevivencia de las semillas en densidad (grumosidades) que dieron lugar a las galaxias y a la estructura filamentaria y con grandes nudos y cavidades a gran escala del Universo.
De manera análoga a como una onda creada por un pequeño golpe sobrevive por tiempos diferentes en un sólido como una taza de cristal, la onda se manifiesta en la taza como el sonido que se amortigua rápidamente. En contraste, la onda vive en el café líquido en el interior de la taza por mucho más tiempo. De manera similar, la amplitud y tamaño de las semillas/ondas primordiales en el Universo joven contienen información de la abundancia relativa de materia bariónica y de materia oscura.
Si sólo existiera material bariónico, todas las semillas/ondas se hubieran amortiguado rápidamente, y no habría galaxias. Además la existencia de las semillas primordiales, se ha detectado como pequeñas fluctuaciones en la temperatura… de la radiación cósmica de fondo que sobrevive del origen caliente del Universo.
Como conclusión, la existencia misma de las galaxias apoya la hipótesis de materia oscura no bariónica. Esta analogía arroja una posibilidad muy interesante: el tamaño mínimo de las ondas/semillas y, por lo tanto, la masa mínima de las galaxias guarda cierta información de las propiedades de la partícula de materia oscura.
NATURALEZA DE LA MATERIA OSCURA
Una de las preguntas más naturales que surge de este tipo de razonamientos es: ¿Cuál es la naturaleza de la materia oscura no bariónica? Por sorprendente que parezca, se conoce ya una partícula llamada neutrino, que cumple con varias propiedades de la materia oscura; sin embargo, es muy poco masiva, y se mueve tan rápido, casi a la velocidad de la luz, de manera tal que no se podría haber acumulado para dar lugar a las galaxias aún. Entonces, el neutrino no podría ser el componente dominante de la materia oscura.
Para que las galaxias se puedan haber formado necesitamos que las partículas se muevan lentamente; esto suele denominarse como tibias o frías; es decir, que se muevan a unos cuantos kilómetros por segundo (tibias), o que prácticamente no lo hagan (frías), durante el nacimiento de las partículas. Si la materia oscura es fría, en un estudio realizado por astrónomos estadounidenses, españoles y mexicanos, en el cual tuve la fortuna de colaborar, se predijo que podrían existir miles de pequeñas galaxias compañeras de nuestra galaxia, cuando sólo se observan del orden de 30 alrededor de la Vía Láctea, cabe hacer notar que sólo en los últimos cinco años se descubrieron 10 nuevas galaxias compañeras.
GALAXIAS OSCURAS
Una posible explicación a esta disparidad es que las galaxias más pequeñas nunca formaron estrellas, y entonces constituyen galaxias oscuras. Surge una posibilidad interesante: el número de galaxias satélites alrededor de galaxias mayores, como la nuestra, puede depender de las propiedades de la partícula de materia oscura. En una serie de trabajos del grupo de cosmología la UNAM, en colaboración con Pedro Colín y Vladimir Avila-Reese, se encontró que si la materia oscura está compuesta por una partícula tibia, como por ejemplo una nueva especie de neutrino llamado estéril, esto podría explicar la baja abundancia de galaxias satélites en nuestra Galaxia. Independientemente de cuál será la explicación final, este tipo de estudios permiten realizar investigaciones de fenomenología de física de partículas, analizando las propiedades de las galaxias. En otras palabras, unen al macro-cosmos con el micro-cosmos.
Una duda razonable es si los candidatos de materia oscura se proponen simplemente para explicar los fenómenos que no podemos explicar en el cosmos, o si hay alguna motivación independiente. Las teorías fundamentales de las fuerzas en la naturaleza como las supercuerdas y la supersimetría, predicen muchas partículas; de hecho, más de 4000000, si consideramos diferentes tipos de teorías microscópicas de las fuerzas.
Algunas de estas partículas son candidatos a constituir la materia oscura, tales como el neutralino. Es importante aclarar que la existencia de estas partículas es necesaria en teorías como la Supersimetría, aun y cuando no existiera el problema de la materia oscura. El neutralino es la partícula más ligera estable en varias teorías de Supersimetría, y produce radiación gamma cuando choca con otro neutralino. Esto puede ocurrir preferentemente en el centro de las galaxias, y es una posible manera de detectar su existencia, así como la de las galaxias oscuras.
Algunos candidatos de partículas de materia oscura, como las llamadas partículas ligeras de Kaluza Klein (LKP por su siglas en inglés) se asocian con la existencia de un universo multidimensional. Experimentos que detectan radiación gamma, como el satélite Fermi de la NASA y el experimento HAWC en México, buscarán detectar alguno de estos candidatos.
UNIVERSO MULTIDIMENSIONAL
Una hipótesis alternativa para explicar la gravedad extra que mantiene unidas a las galaxias es que la ley de la gravedad es diferente a este tipo de escalas de galaxias. En este tipo de ideas no se requieren partículas nuevas, y la razón de este comportamiento nuevo de la gravedad podría también tener su origen en un Universo multidimensional. Aunque esta última idea es muy atractiva, el estudio de cúmulos de galaxias en colisión ha planteado grandes retos para al menos los modelos más simples de gravedad modificada.
Estudios que utilizan la técnica de lente gravitacional sugieren que el centro de gravedad de los cúmulos de galaxias y el centro de masa de la materia brillante no coincide, lo cual es naturalmente explicado si se acude a la hipótesis de materia oscura. Sin embargo, esto no descarta que un comportamiento más complejo de la gravedad pudiera producir fenómenos similares. ¿Cuál de las dos explicaciones es la correcta: materia oscura o gravedad modificada? Esto es aún un misterio, pero su solución, aunque sea muy diferente a las propuestas existentes, proporcionará pistas para nueva física y quizás evidencia de un universo multidimensional. Quizás alguno de los lectores de este texto podría estar en camino a contribuir con alguna pista para esclarecer tal misterio.
