La desafiante materia oscura
por David Oviedo.
Asociación Larense de Astronomía, ALDA.
19 de julio de 2018.
Al mismo paso con que la Ciencia permite dar respuesta y explicación a una inmensa cantidad de preguntas sobre el Universo, también se abre camino a desafiantes interrogantes. Uno que genera gran expectación, desconcierto y debate en la actualidad, es la materia oscura, que con certeza aún no se puede definir efectivamente, pero de acuerdos a los datos actuales, constituiría aproximadamente, la cuarta parte del Universo.
La gran dificultad para entender y describir la materia oscura, reside en que a diferencia de la materia bariónica (ordinaria; de la cual están compuestas las estrellas, planetas e incluso nosotros mismos; representa un cinco por ciento de todo el contenido del Universo) la materia oscura no interactúa con la fuerza electromagnética y la nuclear fuerte, es decir, no emite, no refleja y no absorbe radiación electromagnética, por lo cual es imposible de visualizarla de forma directa con los recursos observacionales disponibles en la actualidad.
De hecho, la evidencia asociada a la materia oscura proviene exclusivamente de su interacción con la fuerza gravitacional, inferida a partir de los efectos gravitacionales que parece tener sobre la materia bariónica; teniendo su principal sustento, a través de las mediciones de las velocidades orbitales de las estrellas, alrededor del centro de las galaxias, como función de su distancia desde el centro; naturalmente el comportamiento esperado era que la velocidad de estas estrellas cayese paulatinamente a cero para grandes distancias a partir del núcleo galáctico; pero las observaciones no respaldaban a los cálculos, por lo tanto es necesario que exista un elemento que proporcione velocidad en una extensión radial relativamente grande y allí entra en juego la materia oscura.
La detección de los efectos de la materia oscura, se ha producido de forma sistemática desde finales de los años 90’ y en la primera década del siglo XXI, uno de los hallazgos más notables fue la combinación de imágenes del Telescopio Espacial Hubble, el observatorio Chandra de rayos X y el Telescopio Magallanes, los cuales han detectado pruebas empíricas directas sobre la existencia de materia oscura, tras recolectar datos sobre las temperaturas del gas intergaláctico en el Cúmulo de la Bala, la información reunida indicó que es demasiado alta como para que el gas permanezca dentro del cúmulo sin la presencia de materia oscura, evitando así su disipación.
Cúmulo de la Bala. Crédito NASA/Chandra X-ray Observatory.
Al intentar caracterizar la materia oscura, se encuentra la gran problemática existente en el abrumador cuerpo de evidencia que depende completamente de los efectos gravitacionales, pudiéndose resumir al siguiente panorama general:
· Tiene efectos gravitatorios sobre la materia bariónica.
· No interactúa con la fuerza electromagnética y nuclear fuerte (no emite ni absorbe radiación electromagnética).
· No tiene carga eléctrica.
· No decae, es decir, permanece estable desde los orígenes del Universo.
· Constituye aproximadamente un 26% del Universo.
Desde una perspectiva histórica, el término de materia oscura ha navegado dentro de la conceptualización física desde hace mucho tiempo, sin embargo las nociones asociadas al conocimiento moderno, inician con el término “matière obscure”, el cual fue postulado por Henri Poincaré en el año 1906, en referencia a una especie de “estrellas oscuras” pertenecientes a la Vía Láctea; como respuesta a las ideas propuestas por Lord Kelvin en 1904.
De acuerdo con lo postulado por Lord Kelvin, la inmensa cantidad estrellas de la Vía Láctea (en aquel momento, la única galaxia conocida) se podían estudiar bajo un enfoque netamente termodinámico, aproximando el comportamiento estelar al de un gas; el estudio desde un punto de vista cinemático permitiría determinar las velocidades, tomando en cuenta diversos cuerpos oscuros que contribuían con la velocidad y masa de la galaxia; aunque sus postulados eran netamente especulativos y muy poco concluyentes.
Los primeros indicios sobre la materia oscura, surgieron a partir de los estudios de movimientos estelares realizados durante la década de 1930. Uno de ellos, fue liderado por el astrofísico estonio Ernst Öpik, cuyo trabajo de investigación se centraba en el análisis de las diversas distribuciones de masa en las galaxias. Basándose sobre los resultados proporcionados por estos estudios, Öpik logró concluir que la galaxia de Andrómeda debía contener más masa que aquella detectada visualmente, en ese sentido afirmó que parte de la masa solo interactuaba con su entorno de forma gravitacional. Sin embargo, Öpik no contaba con ninguna referencia conceptual clara, sobre el problema al cual se enfrentaba, sospechando que los resultados arrojados se debían fundamentalmente a errores de carácter sistemático.
Posteriormente, Fritz Zwicky, astrofísico suizo de origen búlgaro, ampliamente reconocido por ser co-creador del término “supernova”; fue el primero en reconocer que en las grandes estructuras del Universo, como los cúmulos de galaxias, una gran parte de la materia no es visible. En su trabajo pionero, que publicó en el año 1933 para la Helvetica Physica Acta, estimó la masa total del cúmulo de Coma a partir de los movimientos de las galaxias. Empleando el Teorema del Virial, llegó a la conclusión de que en promedio, las galaxias se movían demasiado rápido para que el cúmulo de Coma se mantuviera unido solo por la masa de la materia visible, en ese sentido, planteó que debería existir un tipo de materia que garantizara la unidad del cúmulo y que tuviera un importante aporte en la aceleración de las galaxias; de esta forma acuñó (en sentido moderno) el término de “materia oscura”.
Composición: Cúmulo de galaxias Coma y Fritz Zwicky. Crédito: NASA/JPL-CALTECH/SDSS
La hipótesis de Zwicky sobre la materia oscura, fue realmente una aventura, señalando el hecho que podría estar presente en el Universo en una cantidad mucho mayor a la materia visible; deduciendo su existencia con las herramientas observacionales de la época, a partir de simples estadísticas, con un carácter limitado y con una serie de mediciones dudosas sobre las escalas de las dimensiones y distancias del cúmulo. Sorprendentemente, sus resultados han resistido la dura prueba del tiempo como estimaciones razonables.
Para los años 70’, se determina que las galaxias, para ser estables, requerían una cantidad de masa mucho mayor que la detectada observacionalmente; Vera Rubin descubre esta relación, efectuando mediciones de la velocidad rotacional de las estrellas cerca de los núcleos galácticos, mediante el uso de los métodos fundamentales (generalizaciones de las leyes de Kepler y las leyes de Newton), a raíz de estas observaciones, encuentra que la velocidad rotacional de las estrellas que constituyen a las galaxias espirales no disminuye en las zonas cercanas a sus limites. Por ejemplo, en la Vía Láctea, el desplazamiento de las estrellas a través del espacio se realiza a una rapidez aproximada de 240 km/s, independientemente del lugar en que estén localizadas, en otras palabras, las estrellas que se encuentran en las inmediaciones del centro de la galaxia y las estrellas más lejanas situadas en los brazos de la espiral parecen moverse a la misma velocidad. Esta velocidad no era la esperada si se calculaba considerando solo la atracción gravitacional.
El consenso para la aceptación de la existencia de la materia oscura, no se produjo hasta la década de 1980, atribuyéndole como la responsable de mantener a las galaxias unidas, como elementos que contribuyen en la velocidad y en la masa de una estructura galáctica; más allá de la cantidad de masa observable que contienen. Además se asumió que las galaxias tendrían que estar rodeadas de halos compuestos por materia oscura, que las estabilizarían. Conceptualmente se avanzó, cuando se logró contrastar que los modelos que integraban materia oscura predijeron acertadamente las fluctuaciones detectadas en un eco observable del Big Bang, el fondo cósmico de microondas.
Tras estas predicciones fueron claras y amplias las pruebas de la existencia de la materia oscura, entre las evidencias se encuentran las provenientes de las mediciones de la radiación de fondo cósmico de microondas, que en función de los datos originados a partir de la sonda WMAP (Sonda Anisotrópica de Microondas Wilkinson), lanzada por la NASA en el año 2001, se ha logrado estimar la composición del Universo. No obstante, uno de los fundamentos sobre los cuales se alega la presencia de materia oscura es que sus efectos gravitacionales forjaron el Universo que hoy conocemos, llevando a la materia “estándar” a formar las primeras estructuras estelares en el Universo primigenio.
Composición: Fondo cósmico de microondas/Estimación de la composición del Universo. Crédito: NASA/WMAP Science Team.
Tras los resultados proporcionados por la sonda WMAP, se tuvo que esperar por los datos que proporcionó la sonda Planck, lanzada en el año 2009, el cual tuvo como objetivo principal el análisis del fondo cósmico de microondas, por ello Planck ha confirmado los resultados obtenidos por la sonda WMAP de la NASA, quien se posicionaba, hasta ese momento como la principal fuente de datos e información sobre el fondo cósmico de microondas.
La información arrojada por Planck han mejorado en exactitud, las proporciones calculadas por la sonda WMAP sobre la materia ordinaria, oscura y energía oscura, siendo fundamental para continuar con las investigaciones y el entendimiento sobre los orígenes y comportamiento del Universo, además que logró generar estimaciones más precisas sobre su edad y su evolución dinámica. Estos datos resultaron importantes en la construcción de los parámetros cosmológicos sobre los cuales se sostienen la inmensa cantidad de modelos teóricos.
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Comparativa de los datos proporcionados por la sonda WMAP y la sonda Planck. Créditos: ESA
Una cuestión de candidatos
A lo largo de los años ha habido un proceso de exhaustiva y constante investigación teórica acerca de la naturaleza y el comportamiento de la materia oscura, por ello los diversos modelos entorno a ésta todavía se modifican a medida que surgen nuevas evidencias y planteamientos a través de las más recientes investigaciones. Sin embargo, todas las teorías que han sido propuestas hasta el momento requieren el replanteamiento de los postulados cosmológicos y muy probablemente de los modelos fundamentales para la interacción entre las partículas.
De forma paulatina, han ido surgiendo una serie de candidatos en ser considerados para explicar la naturaleza de la materia oscura, uno de los pioneros en presumir ser una explicación consistente para la materia oscura, fueron los Objetos Astrofísicos del Halo Compacto (Massive Astrophysical Compact Halo Objects, MACHO’s) los cuales durante muchísimo tiempo fueron el objetivo y el centro de atención en la búsqueda y comprensión de ese casi 27% de la composición del Universo, tratándose de una colección de objetos compuestos por materia bariónica que no emiten radiación alguna (salvo algunas variantes, en los cuales se sostiene que emitirían, pero muy poca) y bajo la tendencia de formar agrupaciones, desplazándose por el espacio; de acuerdo con la teoría, dichas aglomeraciones podrían ser detectadas a través de microlentes gravitacionales.
El trabajo teórico, demostró posteriormente, que los MACHO’s formados en los orígenes del Universo dejan muchísimas inconsistencias al compararlas con las grandes cantidades de materia oscura que ahora se cree están presentes en el Universo; en ese sentido fue uno de los constituyentes que han sido descartados de forma parcial para ser considerados materia oscura.
Otro de los candidatos propuestos, ha sido el neutrino estéril, el cual fue concebido como una posible explicación para la materia oscura y su origen proviene de haber tomado en cuenta, en un primer lugar a los neutrinos convencionales, sin embargo, estos no encajaban en la teoría asociada a la materia oscura, ya que se le consideran altamente masivos y energéticos como para formar cúmulos o estructuras densas.
Es así, como nace la idea de neutrino estéril, el cual acapara varias condiciones en la carrera para explicar la materia oscura, en ese sentido carece de carga eléctrica, pero su gran problema era que deberían desintegrarse y generar una señal de rayos X, lo cual haría posible su detección, pero entraría en conflicto con algunas de las condiciones elementales de la materia oscura. Recientemente, producto del constante monitoreo y detección de neutrinos en el IceCube Neutrino Observatory, se ha descartado totalmente la existencia de este tipo de “neutrinos estériles”; sacándolo de juego para ser considerado materia oscura.
Por otra parte, el axión es uno de los candidatos con mayor fuerza para ser considerado materia oscura; se trata de una partícula hipotética, bautizada con nombre de detergente, ya que la idea de nombrar a esta partícula surgió cuando el físico estadounidense Frank Wilczek lavaba su ropa; haciendo la analogía de “limpiar los problemas de la cromodinámica cuántica”. En ese sentido, se le considera como una predicción propuesta para conciliar algunos problemas de la simetría de paridad y carga de la cromodinámica cuántica, no obstante, el concepto del axión, se adapta naturalmente al perfil de la materia oscura, contando con carga neutra, sensibles a la interacción gravitatoria, altamente estables e interactuando muy débilmente con el resto de partículas pertenecientes al modelo estándar; sin embargo la debilidad del axión como candidato a materia oscura, reside en que según los modelos propuestos es extremadamente ligero.
Por otro lado, de acuerdo con las predicciones, los axiones tendrían que haber sido producidos durante el Big Bang, permitiendo su rápida extensión en todo el Universo; de esta forma el axión se erige como una alternativa “relativamente viable” en el largo recorrido para la explicación de la materia oscura, todo ello, sin necesidad de recurrir a los argumentos de una Física que explore más allá del modelo estándar.
La tendencia a buscar explicaciones más allá del modelo estándar se ha incrementado gradualmente, y se debe, a que pese a representar un modelo robusto de las leyes de la Física, en los niveles y conceptos más elementales, continúa presentando algunos problemas a nivel teórico, que están vinculados con la referenciación de carácter teórico-matemático de algunos comportamientos en estados altamente energéticos y con su sistemática incapacidad para dar explicaciones satisfactorias en la descripción y definición de la materia oscura.
Pero si se trata de explicar la materia oscura, a través de la exploración y búsqueda de una Física más allá del modelo estándar, los postulados asociados a la supersimetría han sido el foco de atención teórico con mayor relevancia en los últimos años. El modelo estándar se construye a partir de simetrías de carácter fundamental que dan lugar a leyes de conservación, en cambio las de supersimetría, además de incluir cada una las simetrías que ya contiene el modelo estándar, suma otra propiedad que involucra al espín, una propiedad de las partículas elementales que se relaciona a su momento angular.
Tras años de teoría y pruebas experimentales, existen modelos supersimétricos que son capaces de abordar y resolver en menor o mayor medida muchos de los problemas conocidos del modelo estándar. Sin embargo, su gran virtud es que existe una amplia gama de modelos, lo cual se convierte también en su mayor desventaja, ya que la ausencia de unificación y evidencia experimental evitan determinar cual es el correcto. De acuerdo con los principios de la supersimetría hay una amplia cantidad de partículas hipotéticas “supersimétricas” que podrían ser constituyentes de la materia oscura, proliferándose una gran cantidad de posibles candidatos a materia oscura; como es el caso del neutralino, gravitino, fotón oscuro, axino, entre otras partículas que forman parte de la variada, compleja y exótica fauna predicha más allá del modelo estándar.
Resumen general de los candidatos para la explicación de la materia oscura (En inglés). Cabe destacar que este toma en cuenta tanto a los neutrinos estériles e incluso llegando a integrar a los monopolos.
Con los elementos propios de las teorías supersimétricas y en función de la observación de los efectos de la materia oscura, se convirtieron en la prueba más contundente a favor de una propuesta que asumiera que la materia oscura estaba constituida por partículas con masa que interaccionan débilmente (sólo interaccionan mediante la fuerza nuclear débil), de esta manera surgieron, los “sospechosos habituales”, mejor conocidas como las WIMP´s (weakly interacting massive particles); cuyo modelo guarda amplias concordancias con los postulados más aceptados sobre evolución del Universo y la proporción de materia en sus orígenes; posicionándose así, en conjunto con todas sus variantes como una de las alternativas más plausibles para ser materia oscura.
También, producto de algunas de sus fortalezas teóricas, se ha mantenido en forma muy activa, las técnicas e instrumentos de búsqueda indirecta de la materia oscura, basados en el principio de aniquilación mútua, proceso que debería generar fotones. Una gran cantidad de los planteamientos teóricos garantiza que las WIMP’s son iguales a sus antipartículas y por tanto se pueden aniquilar mutuamente dando lugar a dos partículas del modelo estándar; en función de ello la búsqueda se centra en fotones, neutrinos, electrones y otras partículas que sean resultado de estas “aniquilaciones”, las cuales aumentan la complejidad para su detección.
A pesar de ser consideradas como fuertes candidatas a ser constituyentes de la materia oscura, las WIMP’s han tenido su “Waterloo”, se estimaba que eran relativamente masivas (100 veces más pesadas que el protón); sin embargo según correcciones recientes tendrían que ser muchísimo menos masivas, con lo cual se pone en jaque su rol de interacción con la materia bariónica y su capacidad de generar estructuras que garantizaran la existencia de los halos de materia oscura alrededor de las galaxias, por otro lado, tras los resultados arrojados por el LHC (Large Hadron Collider, Gran Colisionador de Hadrones) y las pasadas búsquedas infructuosas llevadas a cabo en el Fermilab, parecen descartar algunas variantes de la supersimetría, lo que sin lugar a dudas, ha llevado al replanteamiento (en muchos casos a totalidad) de los modelos asociados a supersimetría y por consiguiente de las WIMP’s.
En la actualidad, las investigaciones y esquemas de carácter experimental continúan centradas en lo que parece ser un significativo “duelo” entre los axiones y las WIMP’s; los cuales se han erigido como la principal vertiente de estudio y acaparan la atención en la búsqueda de materia oscura; siendo una muestra de ello las decenas de experimentos activos de búsqueda directa de la materia oscura, los cuales están acompañados del progreso tecnológico en instrumentación, visto durante las últimas décadas.
No obstante, debido a la esquiva naturaleza de la materia oscura, en los últimos años han ido evolucionando, de forma progresiva, una amplia gama de teorías que pretenden explicar el comportamiento del Universo, tanto en entornos microscópicos como macroscópicos, la mayoría de estas hipótesis se sustentan sobre modificaciones sistemáticas a la relatividad general (desde un enfoque netamente cosmológico) en donde se suprime la necesidad de los términos asociados a materia oscura, dejándola completamente fuera en todos los escenarios; sin embargo su “pequeño gran problema” es que deben partir de la evidencia observacional (circunstancial) que respalda a la materia oscura, describiendo el comportamiento del Universo sin recurrir en ningún momento a ésta. Algunos de los modelos que avanzan en esa dirección son la Dinámica Newtoniana Modificada (MOND, por sus siglas en inglés) y una gran cantidad de teorías de gravedad modificada.
A pesar de los escenarios y desarrollos teóricos propuestos, que se desprenden de la materia oscura como explicación a una gran cantidad de fenómenos en el Universo, los esfuerzos en el estudio, identificación y descripción del comportamiento de la materia oscura se ha mantenido muy activo, sin embargo las más recientes investigaciones, aportan importantes indicios en las que se mantienen intactas las perspectivas de hallar una solución a la desafiante materia oscura en los próximos años.
Fuentes consultadas:
https://arstechnica.com/science/2017/02/a-history-of-dark-matter/
https://arxiv.org/pdf/1605.04909.pdf
https://culturacientifica.com/2014/04/30/un-neutrino-esteril-como-candidato-materia-oscura/
https://es.wikipedia.org/wiki/Materia_oscura
https://home.cern/about/physics/supersymmetry
https://nmas1.org/news/2017/12/05/SIMPs-oscura
https://www.raccefyn.co/index.php/raccefyn/article/viewFile/153/64
https://science.nasa.gov/astrophysics/focus-areas/what-is-dark-energy/
http://sci.esa.int/planck/51551-simple-but-challenging-the-universe-according-to-planck/
http://www.ugr.es/~bearg/materia_oscura_parte_cosmologia_2008_2009.pdf
