Ilustración de algunos de los principales sospechosos de tener materia oscura y de otros contendientes(Crédito de la imagen: Robert Lea (creado con Canva))Ir a:
- ¿Por qué es tan problemática la materia oscura?
- Meet the WIMPs
- ¿Qué pasa con los Axiones?
- Sólo una cosa más: MACHOs.
- Diminutos agujeros negros desde el principio de los tiempos
- ¿Son erróneas nuestras teorías de la gravedad?
Aunque Halloween acapara sin duda la atención hoy, hay otro acontecimiento espeluznante que merece la pena celebrar. El jueves 31 de octubre se celebra también el Día de la Materia Oscura, en el que los científicos celebran la búsqueda de la materia más misteriosa del universo.
El día se celebra desde 2017 y este año constará de más de 350 eventos globales, regionales y locales que pretenden involucrar al público general con el misterio de la materia oscura.
¿Y qué mejor manera para universeexpedition.com de conmemorar el Día de la Materia Oscura que reuniendo a los actuales sospechosos de la materia oscura? Empecemos, ¿te parece?
Antes de pasar a la alineación cósmica, merece la pena echar un vistazo a la «escena del crimen» para determinar exactamente por qué la materia oscura constituye un misterio tan importante que los científicos están desesperados por resolver.
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¿Por qué es tan problemática la materia oscura?
Piensa en todo lo que ves a tu alrededor en el día a día: tu cama, el agua que sale de tus grifos, tu televisor, tu desayuno, todos los coches y autobuses que ves de camino al trabajo, tus compañeros, tu escritorio y tu ordenador, tu sillón y la copa de vino al llegar a casa, el gato del vecino y el «regalo» indeseado que ha dejado en tu jardín… e incluso tú mismo.
Toda esta materia está formada por átomos, que a su vez están construidos a partir de partículas de la familia de los bariones: protones, neutrones y electrones.
Vayamos más lejos. Dejamos la Tierra (que, para que conste, también está hecha de materia bariónica). La Luna también está hecha del mismo tipo de materia del que hemos estado hablando, al igual que los demás planetas. Acurrucados entre los planetas de Marte y Júpiter hay asteroides en el cinturón principal de asteroides. Éstos están hechos de materia bariónica. ¿Cometas helados en el cinturón de Kuiper, en el borde exterior del sistema solar? Sí, materia bariónica.
A pesar de su naturaleza ardiente, el Sol también se compone de estos componentes bariónicos, al igual que todas las estrellas y exoplanetas fuera del sistema solar. Esto incluye estrellas exóticas y muertas, como las enanas blancas y las estrellas de neutrones, así como los mundos púlsares. De hecho, también lo son el gas y el polvo que vagan entre todas estas cosas.
Ahora, considera esto: La materia bariónica representa sólo el 15% de todas las cosas en el universo.
El resto es materia oscura.
Y no tenemos ni idea de lo que es la materia oscura.
Un diagrama muestra la proporción de materia oscura respecto a la materia «cotidiana» que compone estrellas, planetas y gatos. (Crédito de la imagen: Robert Lea (creado con Canva))
Podemos ver todas las cosas enumeradas anteriormente porque los bariones que componen sus átomos constituyentes interactúan fuertemente con partículas de luz, o fotones, así como entre sí.
La materia oscura es diferente.
Eso se debe a que, o bien no interactúa con la materia cotidiana ni con los fotones, o lo hace de una forma tan débil y poco frecuente que no podemos detectarla. Por lo tanto, la materia oscura es invisible para nosotros. Sin embargo, sabemos que la materia oscura debe estar ahí fuera porque podemos deducir su presencia. Esto se debe a que, a pesar de no interactuar con la fuerza electromagnética transportada por los fotones, sí lo hace con la gravedad. Esta interacción es observable a través del efecto que la materia oscura tiene sobre la luz y sobre la materia cotidiana.
The Bullet Cluster, dos cúmulos de galaxias en colisión que han proporcionado a los astrónomos pruebas de la existencia de materia oscura. (Crédito de la imagen: NASA/CXC/M. Markevitch et al/STScI/Magellan/U. Arizona/D. Clowe et al/ESO WFI)
De hecho, los científicos teorizan que el universo tomó forma cuando la materia fluyó a lo largo de hilos de materia oscura en la telaraña cósmica y se agrupó en las uniones donde esos hilos se encuentran. En la actualidad, las galaxias se arremolinan tan rápidamente que, si no fuera por las influencias gravitatorias de la materia oscura invisible que las rodea, se desmoronarían.
Ahora, examinemos algunos de los personajes turbios que componen los principales sospechosos de materia oscura.
Conoce a los WIMPs
Las partículas que encajan perfectamente en el Modelo Estándar de la física de partículas -la mejor descripción que tenemos de las partículas del universo y sus interacciones- no se ajustan bien a las cualidades de la materia oscura.
Eso ha llevado a los físicos a empezar a buscar extensiones del Modelo Estándar, que podrían contener posibles candidatos a materia oscura. Un marco potencial se llama «supersimetría» o «SUSY». Esta idea sugiere que, para cada partícula del Modelo Estándar, existe una compañera que posee un valor de «espín» diferente. Un valor de espín es una forma cuántica de momento angular.
Una amplia clase de partículas SUSY que podrían explicar la materia oscura son las «WIMP» o «Weakly Interacting Massive Particles». No existe una definición estricta de lo que es una WIMP, pero la mayoría de los modelos sugieren que se trataría de partículas eléctricamente neutras, no bariónicas, pesadas y de movimiento lento, o «frías». Esta naturaleza pesada permitiría a las WIMP agruparse donde crecen las galaxias y los cúmulos de galaxias, algo imposible para una partícula de materia oscura ligera y de movimiento rápido.
Entre los ejemplos hipotéticos de WIMPs se encuentran los neutrinos de cuarta generación, que serían más pesados que los neutrinos estándar (a menudo denominados «partículas fantasma» debido a sus débiles interacciones con la materia), las partículas Kaluza-Klein y los neutralinos.
El Modelo Estándar de la física de partículas describe las partículas que componen la masa y las fuerzas del universo. (Crédito de la imagen: MissMJ/WikimediaCommons)
Un experimento que busca intensamente la física más allá del Modelo Estándar es el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), el acelerador de partículas más potente del mundo situado bajo la frontera entre Francia y Suiza y operado por el CERN.
«El Modelo Estándar por sí solo no proporciona una explicación para la materia oscura. En muchas teorías, los científicos predicen que la partícula supersimétrica más ligera es estable y eléctricamente neutra e interactúa débilmente con las partículas del Modelo Estándar», explica el CERN en su página web. «Estas son exactamente las características requeridas para la materia oscura».
Pero, hasta ahora, no se ha detectado en el LHC ninguna evidencia de partículas más allá del Modelo Estándar. Asimismo, estas partículas de interacción débil no se han manifestado en las corrientes de partículas cargadas llamadas rayos cósmicos que bombardean la Tierra desde galaxias y cúmulos de galaxias cercanos. Esto ha arrojado algunas dudas sobre la hipótesis WIMP, pero los detectives de la materia oscura les aconsejarían sin duda que no abandonaran la ciudad.
¿Qué hay de los Axiones?
Los axiones son partículas hipotéticas más ligeras que las WIMP, pero siguen teniendo cualidades que las convierten en buenas candidatas a materia oscura. En particular, si existen, los axiones no interactuarían con los fotones y, por tanto, serían «invisibles» como la materia oscura.
Curiosamente, los axiones no fueron los primeros candidatos a materia oscura. Los físicos Frank Wilczek y Steven Weinberg propusieron estas partículas en 1978. El propósito de los axiones era aliviar un problema del Modelo Estándar, concretamente una asimetría llamada «problema CP fuerte». El problema CP fuerte es demasiado complicado para entrar en él aquí.
Sólo más tarde se sugirieron los axiones como un candidato potencial para la materia oscura fría. De hecho, ahora se consideran los sospechosos más probables en el caso de la materia oscura.
«Los axiones son uno de los principales candidatos a materia oscura», declaró a principios de año Malcolm Fairbairn, investigador del Kings College de Londres. «Ser capaces de encontrar el axión probablemente nos ayudaría a resolver uno de los mayores interrogantes de la ciencia, de más de un siglo de duración, y a dejar al descubierto la historia del universo primitivo».
Una ilustración muestra una hipotética estrella axión que podría arrojar luz sobre la materia oscura. (Crédito de la imagen: Robert Lea (creado con Canva))
Debido a su ligereza, para que los axiones sean la causa de la materia oscura, deben existir en grandes cantidades. Esto significa que también tendrían que estar empaquetados en conglomeraciones densas. Si este fuera el caso, entonces en regiones con altas concentraciones de materia oscura, como los centros de las galaxias, los axiones podrían juntarse para formar las llamadas «estrellas axión.»
A pesar de ser el principal sospechoso en el misterio de la materia oscura, los científicos no han descubierto hasta ahora pruebas de la existencia de axiones. Además, los experimentos actuales han descartado axiones en el rango de masa y energía postulado por primera vez por Wilczek y Weinberg. Sin embargo, muchos científicos confían en estar pisándoles los talones a estos candidatos a materia oscura fría.
«Descubrimos que [los axiones] tienen la capacidad de calentar el universo al igual que las supernovas y las estrellas ordinarias tras reunirse en densos cúmulos», afirmó Fairbairn. «Armados con ese conocimiento, sabemos con mucha más certeza hacia dónde apuntar nuestros instrumentos en el campo para encontrarlos».
La opción obvia para la materia oscura son las partículas fuera del Modelo Estándar de la física de partículas, como las mencionadas anteriormente. Pero como en todos los mejores misterios, debe haber lugar para que surja un culpable que crea haber escapado a toda sospecha.
Sólo una cosa más: MACHOs.
Una posible explicación de la materia oscura que no tendría que invocar nuevas partículas ni extensiones del Modelo Estándar son los «MACHOs», u «Objetos Compactos Masivos con Halo». Se trata de cuerpos celestes que emiten poca o ninguna radiación y se desplazan solos por el espacio interestelar, lo que significa que simplemente son demasiado débiles para ser vistos.
Aunque no haya oído hablar de los MACHO, probablemente conozca algunos de los objetos que se han propuesto para esta categoría. Se trata de estrellas enanas rojas frías, enanas marrones «estrellas fallidas» y restos estelares como enanas blancas y estrellas de neutrones. Algunos científicos también consideran que los agujeros negros aislados de masa estelar son MACHO potenciales.
Dos caras de una estrella de neutrones «muerta». (Crédito de la imagen: Carl Knox/OzGrav)Los
MACHOs parecen encajar perfectamente con el concepto de la Navaja de Occam o el «principio de parsimonia», que sugiere que la hipótesis que requiera añadir el menor número de entidades es probablemente la correcta. Si tu víctima tiene un agujero de bala en el pecho, lo más probable es que lo hiciera el sospechoso que tiene la pistola humeante.
Pero, a pesar de ello, estos objetos han caído mayoritariamente en desgracia entre los cazadores de materia oscura. Esto se debe en parte a que, aunque los MACHO explicaran la materia oscura, no hay suficientes cuerpos como para explicar toda la materia oscura. Las estimaciones actuales sugieren que todos los cuerpos considerados MACHOs en conjunto sólo podrían explicar el 20% de la materia oscura.
Eso significa que de todas formas habría que proponer entidades adicionales para explicar ese otro 80% de materia oscura.
Es difícil explicar la caída del apoyo a los MACHOs como materia oscura más sucintamente que el físico teórico John Ellis del King’s College de Londres.
En un artículo de Nature de 2016, Ellis simplemente dijo: «Los MACHOs están muertos».
Diminutos agujeros negros desde el amanecer de los tiempos
Un candidato peculiar para la materia oscura apuntado por algunos científicos son los agujeros negros primordiales que quedaron justo después del Big Bang, algunos de los primeros momentos de nuestro universo.
Los agujeros negros supermasivos que se encuentran en el corazón de todas las grandes galaxias tienen masas de millones, o incluso miles de millones, de veces la de nuestro sol, y los agujeros negros de masa estelar que nacen cuando las estrellas masivas colapsan tienen masas entre 10 y 100 veces la del sol, pero se cree que los agujeros negros primordiales son mucho menos monstruosos.
La masa de los agujeros negros primigenios oscila entre la de un planeta y la de un asteroide medio. Esto significa que no pueden haberse formado a partir del colapso gravitatorio de una estrella moribunda; ninguna estrella es tan pequeña. En su lugar, los científicos sugieren que las fluctuaciones de densidad iniciales en el universo primitivo podrían haber creado agujeros negros primordiales.
La masa relativamente pequeña de los agujeros negros primordiales también les daría un tamaño diminuto. Si un agujero negro primigenio tuviera una masa similar a la de la Tierra, no sería más ancho que una moneda de diez centavos. Si un agujero negro primigenio tuviera una masa similar a la de un asteroide, sería más pequeño que un protón.
No es de extrañar que estos agujeros negros, si es que existen, hayan pasado desapercibidos.
Un diagrama que muestra la enorme diferencia de escala entre los agujeros negros supermasivos y los hipotéticos agujeros negros primordiales. (Crédito de la imagen: Robert Lea (creado con Canva))
Los agujeros negros primordiales podrían encajar bien con la materia oscura porque, como todos los agujeros negros, estarían limitados por superficies unidireccionales que atrapan la luz llamadas «horizontes de sucesos». Eso significaría que estos agujeros negros, al igual que la materia oscura, no emiten ni reflejan luz.
Sin embargo, hay un fallo importante en la «hipótesis de los agujeros negros primordiales como materia oscura». Stephen Hawking propuso que los agujeros negros «filtran» una forma de radiación térmica que más tarde se denominó «Radiación Hawking». Esto debería llevar finalmente a un agujero negro a evaporarse hasta desaparecer en una explosión. Sin embargo, como la temperatura de un agujero negro es inversamente proporcional a su masa, cuanto más grande es un agujero negro, más frío es y más despacio «gotea». Eso significa que los agujeros negros verdaderamente masivos, como los agujeros negros supermasivos e incluso algunos agujeros negros de masa estelar, tardarían en evaporarse un periodo superior a la vida del propio cosmos.
Sin embargo, no es el caso de los pequeños agujeros negros primordiales, que estarían muy calientes y, por tanto, serían muy eficientes a la hora de filtrar radiación térmica al frío del espacio. Si la radiación de Hawking es cierta, estos pequeños agujeros negros deberían haber desaparecido en un «soplo de calor» hace mucho tiempo. Eso significa que, obviamente, no estarían ahora para dar cuenta de la materia oscura.
Toda una coartada.
Sin embargo, eso no ha convencido a todos los detectives de la materia oscura para abandonar el caso contra los agujeros negros primordiales. Algunos científicos han sugerido una serie de mecanismos de rescate que podrían permitir a los agujeros negros primordiales prolongar su vida en el universo de 14.600 millones de años. Por lo tanto, siguen estando en el punto de mira de la materia oscura, al menos por ahora.
¿Son erróneas nuestras teorías de la gravedad?
Otra posibilidad externa para explicar la materia oscura es que no haya materia oscura que explicar en absoluto.
Desarrollada en 1982 por el físico israelí Mordehai Milgrom, la dinámica newtoniana modificada (MOND) sugiere que la materia oscura no existe en primer lugar. En su lugar, MOND sugiere que el ajuste de la segunda ley del movimiento de Isaac Newton (que dice que la tasa de cambio de momento de un cuerpo es igual en magnitud y dirección a la fuerza que causó el cambio).
Este ajuste se aplicaría en casos de pequeña aceleración, como la que sienten las estrellas en el borde de un disco galáctico arremolinado. Esto anularía esencialmente la necesidad de que exista materia oscura, ya que no se necesitaría «pegamento» para mantener unidas las galaxias.
No se puede resolver un crimen si no se ha cometido.
¿Se equivocó el físico más famoso de la historia con la gravedad? (Crédito de la imagen: NASA)
El gran problema de MOND es que sólo puede explicar este aspecto concreto que ha llevado a astrónomos como Vera Rubin a plantear la existencia de la materia oscura en primer lugar: el hecho de que las galaxias se mantengan unidas a pesar de su rápida rotación.
Otros fenómenos que implican la existencia de materia oscura, como la mayor desviación de la luz alrededor de las galaxias que la que provocaría la materia visible de esas galaxias, descubiertos desde entonces, no están del todo cubiertos por MOND.
MOND tampoco es capaz de explicar las fluctuaciones denominadas «oscilaciones bariónicas» que se observan en el fondo cósmico de microondas (CMB), un campo de radiación «fósil cósmico» que impregna todo el universo y que es el remanente de un acontecimiento que tuvo lugar justo después del Big Bang. Además, como MOND no es una teoría basada en las teorías de la relatividad general y especial de Einstein, estas adaptaciones de la ley de Newton tendrían que explicar todos los fenómenos que se han utilizado para validar estas teorías, que se han mantenido firmes durante más de un siglo.
En consecuencia, la mayoría de los científicos han abandonado la idea de revisar la gravedad newtoniana, y sólo unos pocos astrofísicos dedicados perseveran en ella.
Por supuesto, todavía existe la posibilidad de que MOND, junto con cualquiera de los otros sospechosos que hemos enumerado anteriormente, se revele finalmente como la verdadera respuesta al enigma de la materia oscura.
De hecho, para cuando lleguemos al próximo Día de la Materia Oscura en 2025, se habrán reunido nuevas pruebas, y un nuevo sospechoso podría liderar el pelotón en lugar de los axiones. Tal vez los WIMP y los MACHO se recuperen para entonces, o tal vez la coartada de los agujeros negros primordiales se desmorone por fin por completo.
Esa es la belleza de un misterio sin resolver.
