Doctor Vladimir Avila-Reese
Los avances en la astronomía han sido vertiginosos en la última década. Hemos alcanzado gran precisión en la determinación de los principales parámetros del Universo, así como en la reconstrucción de la mayor parte de su historia; desde la sopa caliente y uniforme de partículas elementales y radiación, hasta la actual telaraña tejida por brillantes galaxias. Pero no hemos quedado exentos de sorpresas: las observaciones revelan la existencia de abundantes cantidades de materia invisible, cuya naturaleza es distinta a la ordinaria y, aun en mayores proporciones, de un medio repulsivo que permea uniformemente el universo.
Según múltiples estudios astronómicos, la materia ordinaria, aquélla de la que están constituidos los átomos, las estrellas y galaxias -incluyéndolo a usted- es apenas poco más del cuatro por ciento de todo lo que hay en el cosmos; cerca del 21 por ciento es la materia oscura y el restante 75 por ciento corresponde a ese medio repulsivo bautizado como energía oscura. ¿Cómo se sabe de la materia y energía oscuras? ¿Cómo es que, siendo tan abundantes, hasta ahora no ha sido posible detectarlas, verlas, sentirlas directamente?
Así como, hace más de quinientos años, los geógrafos solían marcar en sus mapas las regiones sospechadas pero desconocidas del mundo con la expresión Terra incognita, hoy, en pleno siglo XXI, la ciencia debe atribuir más del 95 por ciento de la “cartografía” del Universo a esas misteriosas componentes bautizadas como materia y energía oscuras. La ciencia está en el umbral de una nueva revolución. Puede ser que pronto se descubra y llegue a entender qué son estos componentes. Pero también podría ser que no existan como tales y más bien se requiera modificar las leyes fundamentales de la física, en especial la gravedad, o invocar más de tres dimensiones espaciales, a fin de explicar lo que las observaciones muestran.
VERTIGINOSO AVANCE DE LA COSMOLOGÍA
Hace apenas ochenta años, nuestra imagen astronómica del Universo se reducía a un conjunto de millones de estrellas y gas, agrupados principalmente en un sistema llamado Vía Láctea. En los años veinte del siglo pasado se comprendió que la Vía Láctea es en realidad una galaxia compuesta por miles de millones de estrellas y gas, dispuestos en un disco que rota rápidamente; pero lo más sorpresivo fue que se descubrieron otros miles de galaxias, sólo que alejadas a tales distancias que, a pesar de estar brillando en ellas cientos de millones de estrellas, se veían apenas como manchas difusas en los telescopios.
Establecida la naturaleza de las galaxias, el mismo astrónomo que las descubrió, Edwin Hubble, logró medir el movimiento de algunas de ellas; y resultó que casi todas estaban alejándose unas de otras, cual uvas pasa en un pan de Navidad que se expande. La interpretación de estos resultados culminó en otra gran sorpresa: el espacio cósmico en las grandes escalas está en expansión, justo como lo planteaba la Teoría General de la Relatividad de Albert Einstein.
Es curioso notar que cuando Einstein aplicó su teoría a un sistema físico llamado Universo –¡vaya atrevimiento intelectual!- él mismo no quiso creer que el Universo podría estar en un proceso constante de cambio; por eso, para mantenerlo estacionario, introdujo en sus ecuaciones un término matemático (la constante cosmológica) que compensaba a la atracción gravitacional; es decir, era repulsivo. Luego se arrepintió de esto y se convenció de que el Universo no tenía por qué ser estacionario, tal como lo demostraron después las observaciones de Hubble.
Así, de un mundo reducido a la Vía Láctea y estacionario, pasamos en pocos años a conocer un Universo de millones de galaxias y en proceso de expansión, de constante evolución.
MÁS SORPRESAS
La información que los telescopios capturan del cielo se basa en la radiación electromagnética (luz) producida o remitida por objetos cósmicos y el medio entre ellos. Estudiando el cosmos con poderosos telescopios en todo el espectro electromagnético, desde las ondas de radio hasta los rayos gamma, los astrónomos pensaban que ya lo conocían todo. Pero no, llegaron las evidencias de la materia oscura. En realidad ella no se puede detectar con los telescopios pues no genera ni absorbe luz. Entonces ¿por qué se habla de ella? Es que su gravedad la delata.
Estudiando el movimiento a gran escala de las estrellas y el gas en las galaxias, o de las mismas galaxias en sus agrupaciones, se llegó a la conclusión de que estos movimientos requieren, para su explicación, ¡diez o veinte veces más masa que la observada! Esa masa faltante invisible, que sirve de “molde” gravitacional de las galaxias, es a lo que se denominó materia oscura.
Métodos más recientes, basados en la deflexión que sufre la luz por la gravedad producida por concentraciones de masa (lente gravitatoria, otra de las predicciones de la teoría General de la Relatividad), muestran que las galaxias en efecto están embebidas en gigantescas concentraciones de materia oscura llamadas halos. Aquello que brilla es literalmente sólo la punta del iceberg.
ORIGEN DE LAS GALAXIAS
La materia oscura se requiere también para explicar el origen de las galaxias. Sabemos que el Universo temprano era una sopa caliente de partículas elementales y radiación energética, distribuidas de manera casi perfectamente uniforme. Varios grupos de investigación en el mundo, incluyendo el nuestro en la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), hemos desarrollado los modelos físicos que permiten entender cómo las complejas galaxias y superestructuras del Universo actual pudieron formarse y evolucionar a partir de esa “sopa” primigenia y cuasi-uniforme. Un ingrediente clave en estos escenarios es justamente la materia oscura.
Es fácil mostrar que, en las épocas del Universo caliente, la presión de la radiación literalmente “plancha” a los tenues grumos de materia ordinaria de escalas galácticas; el resultado de este proceso es que nos quedamos sin semillas para formar galaxias. Pero si la materia oscura exótica domina, entonces los grumos constituidos por esta materia no sufren de ese proceso de planchado, pues ella no interactúa con la radiación. Estos tenues grumos, que al principio se están expandiendo con el Universo, al ser regiones ligeramente más densas que el promedio, se van concentrando más y más por la gravedad, hasta que se separan de la expansión universal y colapsan en esferoides autogravitantes, los halos oscuros. Éstos son los moldes que luego capturan gravitacionalmente al gas de materia ordinaria; éste cae al centro de los halos, y ahí se forman las galaxias, cuando el gas comienza a transformarse en estrellas.
La otra componente enigmática del cosmos es la energía oscura, de naturaleza diferente a la materia. Sus efectos parecen no haber cobrado importancia sino hasta que el Universo tuvo más de la mitad de su edad actual, que es de 13 mil 700 millones de años. Observando explosiones muy brillantes de estrellas, cual faros cósmicos, recientemente ha sido posible explorar cómo se expandía el Universo en el pasado. Sorpresivamente, se encontró que, a partir de un poco más de la mitad de la edad actual, la expansión empezó a acelerarse en vez de frenarse (ver Figura 2). Si sólo hubiera materia (ordinaria y oscura), ésta, con su gravedad, tendría que estar siempre frenando la expansión. El que la expansión comience a acelerarse a partir de cierto momento, significa que empezó a dominar en el Universo un medio repulsivo . A ese medio se le bautizó con el nombre genérico de energía oscura, y todo apunta a que en el Universo presente constituye cerca del 75 por ciento de la densidad de todo lo que hay.
¿QUÉ SON LA MATERIA Y ENERGÍA OSCURAS?
Como vimos, las evidencias astronómicas revelan la existencia de la materia oscura, y el paradigma actual de formación de galaxias tiene como ingrediente principal a un tipo concreto de materia oscura, la así llamada fría. Los físicos de partículas elementales, en sus teorías de supersimetría, desarrolladas para explicar la esencia misma de la materia, predicen varias partículas exóticas que podrían ser la materia oscura fría. Una de las partículas supersimétricas más aceptadas es el neutralino.
De existir el neutralino, miles de ellos nos estarían atravesando cada segundo sin que nos percatemos en lo absoluto. Y, claro, son partículas que no interactúan electromagnéticamente; por lo tanto, no interactúan con los átomos. En realidad, casi el 100 por ciento del volumen de los átomos y las moléculas está constituido por campos electromagnéticos; los núcleos y los electrones ocupan un volumen infinitesimal. La materia oscura exótica se hace sentir sólo a escalas astronómicas, donde grandes cantidades de la misma se acumulan y producen gravedad que afecta el movimiento de la materia ordinaria o desvía la trayectoria de la luz, como ya se explicó arriba.
En realidad, existe cierta posibilidad de detectar neutralinos en el laboratorio, y sería cuando sufren un choque frontal con el núcleo de algún átomo, algo poco probable, pues los átomos son casi huecos, como ya se dijo. Como analogía, si el núcleo tuviera el diámetro equivalente a la torre Eifel, los electrones serían diminutas esferas girando en órbitas sobre la superficie de la Tierra; el resto del volumen estaría poblado por campos electromagnéticos.
Los científicos son gente obstinada. Actualmente existen más de una docena de complicados experimentos bajo tierra, con el propósito de capturar a los esquivos neutralinos. Algunos de estos experimentos constan de enormes cisternas de líquidos pesados, rodeados de miles de detectores que, cual paparazzi, están a la espera de “fotografiar” una débil transición electrónica que sufriría un átomo entre cuatrillones, debido a un ligero rebote de su núcleo por el choque frontal con algún neutralino.
PARTÍCULAS EXÓTICAS
Si no se detectan los neutralinos, hay otras partículas elementales candidatas, aunque menos probables. Los cosmólogos buscamos también demarcar mejor las propiedades de las hipotéticas partículas exóticas. Modelos de formación de galaxias desarrollados por nuestro grupo en la UNAM, muestran que las propiedades de estos gigantescos sistemas dependen del tipo de partícula que se use como materia oscura; ¡qué mejor ejemplo de lo que es la íntima conexión entre el micro y el macromundo! Nuestro grupo ha mostrado que la materia oscura tibia podría funcionar también para formar galaxias, e incluso ser una mejor alternativa que la fría. Partículas elementales predichas que podrían ser materia oscura tibia son los así llamados neutrinos estériles.
Aunque todavía no descubiertas, desde un punto de vista teórico son muy sólidas las propuestas de partículas elementales que podrían ser la materia oscura fría o incluso tibia. La situación con relación a qué es la energía oscura, en cambio, es más sombría por el momento.
Remontándonos a los anales históricos, fue el mismo Einstein quien introdujo el concepto de un término repulsivo en el Universo, esa constante cosmológica mencionada más arriba, y que él usó para obtener un universo estacionario. Sin embargo, matemáticamente, este término es inestable en sus ecuaciones de campo, y termina no produciendo el efecto para el que fue introducido. Pero, además, la idea de un Universo estacionario no se confirmó con las observaciones. Einstein declaró que la constante cosmológica fue el peor error de su vida. Durante décadas no se tomó en serio la posibilidad de un medio capaz de producir aceleración en la expansión, al contrario de la materia, que, con su gravedad, tiende a frenar la expansión. Sin embargo, en la última década, la medición de distancias a objetos tan potentes, cuya luz proviene muy del pasado, ha permitido reconstruir cómo han estado cambiando las distancias en el Universo, y así concluir que la expansión comenzó a acelerarse.
Varios métodos, en particular el que un grupo de astrofísicos italianos y mi persona introdujimos, haciendo uso de las explosiones más potentes del cosmos (los estallidos de Rayos Gamma), muestran que la energía oscura se comporta como la constante cosmológica que inventó Einstein. La interpretación física de la misma es la del vacío cuántico, una propiedad del espacio. En ausencia de materia, el espacio implica un constante hervir de partículas virtuales que, así como aparecen, luego desaparecen, de acuerdo al principio de incertidumbre de Heissenberg. Este medio es repulsivo, y es el que se invoca en la teoría inflacionaria para explicar el estado primigenio del Universo, cuando se infló desenfrenadamente.
La idea predominante era que, muy temprano, el vacío se transformó por completo en partículas y campos en el Universo, de tal manera que la gravedad producida por estas componentes frenaba la expansión. Si por alguna razón hubiera quedado una ínfima cantidad de vacío, por mucho tiempo su acción dinámica es despreciable con relación a la acción de la radiación y luego de la materia. Sin embargo, con la expansión, la densidad de estos componentes decrece, mientras que la del vacío permanece constante.
Por eso, llega un momento en que la densidad del vacío supera a la de la materia y radiación y pasa a ser el componente dominante, ejerciendo su propiedad repulsiva. Lo que no queda claro es por cuál razón tuvo que quedar ese ínfimo remanente de vacío que, justo en tiempos cercanos al nuestro, vuelve a ser importante.
Ante estas dudas, se han propuesto muchas otras alternativas a la energía oscura, algunas de las cuales generalizan el concepto de la constante cosmológica a componentes repulsivos con ecuaciones de estados diferentes al de la constante cosmológica y/o que no son constantes; es decir, cambian su densidad de energía con la expansión, aminorando así el problema de la constante cosmológica. Para saber si son correctas estas generalizaciones, como los modelos de quintaesencia o de campos escalares, así como modelos alternativos muy diferentes, se requiere de determinaciones más precisas y más hacia el pasado de la historia de expansión del universo. Esto se podrá lograr con ambiciosos programas observacionales en telescopios en construcción, tanto en Tierra como en el espacio.
EN EL UMBRAL DE UNA REVOLUCIÓN CIENTÍFICA
No se descarta que las evidencias de materia y energía oscuras estén más bien apuntando a que nuestras leyes de la física requieren de una revisión general. También es posible que estos fenómenos sean más bien manifestación de la existencia de más de tres dimensiones espaciales, siendo la gravedad la única interacción que se propaga en todas las dimensiones.
Las observaciones y experimentos planteados serán claves para encontrar el camino que nos permita resolver los misterios de la materia y energía oscuras.
