EL LADO OSCURO DEL UNIVERSO
Introducción
En
este tema abordaremos conceptos, fenómenos y teorías que a los científicos en
la actualidad mantiene en un grado de incertidumbre y a la vez nos da una
lección de humildad en cuanto al conocimiento se refiere, porque lo que
creíamos conocer de la materia es un porcentaje mínimo en comparación con lo
que se ha descubierto que existe en realidad. Es decir, lo que somos nosotros,
la materia visible, desde lo más pequeño conocido como partículas subatómicas
(neutrinos, quarks, bosones, etc.) hasta lo más grande como galaxias, cúmulos
de galaxias, supernovas, etc. Apenas conforma alrededor de un 4% de lo que
existe en el universo, el resto es una combinación de energía y materia a las
cuales se les ha denominado como “oscuras” respectivamente, y no porque estén
relacionado con algo malvado sino por el grado de ignorancia que ha reflejado
que tenemos de nuestro universo, sin embargo en esta presentación nos daremos
cuenta de cómo surgieron estas teorías en los últimos años.
Conceptos básicos
Mirar
a lo lejos en el espacio significa mirar hacia al pasado. Si pensábamos que el
viaje en el tiempo y poder observar fantasmas eran tópicos única y
exclusivamente pertenecientes al esoterismo, misticismo, ciencia ficción,
etcétera, no estamos de todo en lo cierto, ya que de acuerdo a la cosmología
moderna en el universo cuando se tratan de distancias astronómicas y
considerando la velocidad de la luz (300,000 km/s) lo que observamos son
fantasmas de galaxias que alguna vez estuvieron permitiéndonos echar un vistazo
hacia el pasado.
Einstein
nos enseñó que la luz viaja a velocidad finita. Así que la luz del sol necesita
8 minutos para llegar a nuestros ojos: cuando vemos el sol lo vemos ocho
minutos en el pasado. La luz necesita 28000 años para llegar a nosotros desde el centro de
nuestra galaxia (estamos a 28000 años luz desde el centro de nuestra galaxia),
y así cuando miramos por ejemplo a M31, la galaxia de Andrómeda, la vemos hace
2.2 millones de años. Los astrónomos en
los últimos años han terminado grandes
cartografiados de galaxias: estas mapas miran a escalas tan grandes que cada
galaxia aparece como nada más que un puntito. Es muy interesante notar que
estos “puntitos” no están uniformemente distribuidos en el espacio: se
distribuyen en superficies, filamentos, nudos. Muchas de las galaxias en estos
cartografiados están tan lejos de la nuestra que las vemos hace tres mil
millones de años. Como el universo hoy
tiene aproximadamente 14 mil millones de años, vemos estas galaxias como aparecían
cuando el universo solo tenía 11 mil millones de años. Como los arqueólogos escavan
bajo tierra para viajar en el pasado, los astrónomos usan telescopios más y más
grandes, para mirar a lo lejos y... ver el pasado directamente. La galaxia más
lejana observada hasta ahora, se encuentra a 12.88 mil millones de años luz. Su
luz nos llega desde el límite del Universo visible, cuando el universo tenía “solo”
mil millones de años. Cuando miramos estas imágenes nos damos cuenta que el universo
de entonces era muy distinto del universo de hoy. Este descubrimiento fue uno
de los resultados más importantes del satélite Hubble (Hubble Space Telescope).
En
los años 90, después de los primeros resultados científicos del nuevo satélite,
se decidió apuntar el telescopio por alrededor de 101 días, en una parte del
cielo donde no había nada, por si acaso. Así se produjo el “Hubble Deep Field”
una imagen de cien y mil galaxias de un universo muy joven: las galaxias también
parecen muy jóvenes y más irregulares, menos formadas de las de hoy. Una prueba
fotográfica que el universo y sus galaxias evolucionan. Es difícil medir
distancias pero es fácil medir velocidades En astronomía y cosmología es muy difícil
medir las enormes distancias que existen en el universo. Pero las velocidades
se pueden medir fácilmente y las dos distancias y velocidades están relacionadas.
Como bien sabemos, (o, por lo menos como nos enseña la mecánica cuántica y los
experimentos de Schrödinger) la luz se comporta no solo como partículas pero también
como onda, es una onda electromagnética. Y como onda se comporta de manera muy
similar al sonido. Por ejemplo, cuando un tren, un coche o una moto se acercan
a nosotros muy rápidamente oímos el ruido en un tono más agudo y cuando se
aleja en un tono más grave. Y la amplitud del efecto crece con la velocidad del
coche, dicho fenómeno es mejor conocido como efecto Doppler. Por analogía lo
mismo pasa a la luz: la luz emitida de un objeto que se acerca muy rápidamente
aparece más azul y si se aleja, más rojo, y este fenómeno se le conoce como
“desplazamiento al rojo”.
Cuando, en 1929, Hubble comparó los datos
de corrimiento al rojo con los de distancia, se llevó el susto de su vida: los
datos se acomodaban en una bonita recta (bueno, más o menos), lo cual indica
que cuanto más lejos está una galaxia, más rápido se aleja y que la relación
entre distancia y velocidad es una simple proporcionalidad directa: una galaxia
al doble de la distancia se aleja al doble de la velocidad, una al triple, al
triple… Ésta es la llamada ley de Hubble, y se interpreta como signo de
que el Universo se está expandiendo.
Hablando de fantasmas en
el universo
Materia
oscura. No se debe confundir la materia oscura
con la energía oscura. En astrofísica y cosmología física se denomina materia
oscura a la hipotética materia que no emite suficiente radiación
electromagnética para ser detectada con los medios técnicos actuales, pero cuya
existencia se puede deducir a partir de los efectos gravitacionales que causa
en la materia visible, tales como las estrellas o las galaxias, así como en las
anisotropías del fondo cósmico de microondas presente en el universo.
La materia oscura fue propuesta por Fritz
Zwicky en 1933 ante la evidencia de una "masa no visible" que influía
en las velocidades orbitales de las galaxias en los cúmulos. Durante casi 40 años después de las
observaciones iniciales de Zwicky, ninguna otra observación corroborando las
observaciones indicó que la relación masa-luz era distinta de la unidad (una
alta relación masa-luz indica la presencia de la materia oscura). Pero a
finales de los años 1960 y 1970, Vera Rubin, una astrónoma del Departamento de Magnetismo Terrestre
delCarnegie Institution of Washington presentó
los hallazgos basados en un nuevo espectrógrafo muy sensible que podía medir la curva de
velocidad de galaxias espirales con un grado de precisión mayor que cualquier
otro conseguido anteriormente. Junto con su compañero de staff Kent
Ford, Rubin anunció en un encuentro en 1975 de la American
Astronomical Society el asombroso descubrimiento de que muchas estrellas en distintas órbitas de galaxias espirales
giraban a casi la misma velocidad angular, lo que implicaba que sus densidades eran
muy uniformes más allá de la localización de muchas de las estrellas (el bulbo
galáctico). Este resultado
sugiere que incluso la gravedad newtoniana no se aplica universalmente o que,
conservativamente, más del 50% de la masa de las galaxias estaba contenida en
el relativamente oscuro halo galáctico. Este descubrimiento fue inicialmente
tomado con escepticismo pero Rubin insistió en que las observaciones eran
correctas. Posteriormente, otros astrónomos empezaron a corroborar su trabajo y
se logró determinar muy bien el hecho de que muchas galaxias estuvieran
dominadas por "materia oscura", y las excepciones parecían ser las
galaxias con relaciones masa-luz cercanas a las de las estrellas. Consecuencia
de esto, numerosas observaciones han indicado la presencia de materia oscura en
varias partes del cosmos. Junto con los hallazgos de Rubin para las galaxias
espirales y el trabajo de Zwicky sobre los cúmulos de galaxias, se han estado
recopilando más evidencias relacionadas con la materia oscura durante décadas
hasta el punto de que hoy muchos astrofísicos aceptan su existencia.
Realizando
una analogía de la materia oscura respecto a la materia visible en el universo,
si consideramos las luces en un árbol de navidad, las luces serian las galaxias
y cumulo de galaxias visibles a grandes distancias y la materia oscura seria
ese gran halo que envuelve la materia visible, dicho de otra forma la materia
oscura es el eje en el que sustenta la materia ordinaria.
¿Qué es la energía oscura?
Antes
que Hubble descubriese la expansión del Universo, Einstein se preguntó que
decía la teoría de la relatividad general sobre el universo entero y concluyó
que la gravedad tendría que agrupar la materia. Como el universo no ha re
colapsado todavía en sí mismo.... y nadie había visto que se expandiese,
Einstein añadió un término constante a sus ecuaciones que estabilizaran el
universo. Esta constante es la “constante cosmológica” y su interpretación en
las ecuaciones de Einstein es energía asociada con el espacio vacío. Cuando
Hubble descubrió la expansión del Universo Einstein declaro la constante
cosmológica “el peor error de mi vida”. Así es, también los genios se equivocan
de modo que en retrospectiva cualquiera podría ser una mente brillante, sin
embargo Einstein aun equivocándose al parecer también acertaba, al menos a la
fecha, cuando se descubrió que el Universo se estaba acelerando, la constante
cosmológica ofreció una explicación óptima. Esta explicación además arreglaba
todo los problemas de antes: la constante cosmológica es energía asociada con
el espacio vacío. El universo puede ser plano sin que tenga toda la materia
necesaria: la energía del vacío ( o energía oscura) compensa. Y al tener
constante cosmológica que lo acelera, los cálculos de su edad lo hacen más
viejo que los objetos que contiene.
Otra
posibilidad (que en realidad es toda una clase de posibilidades) es que la
energía oscura provenga de un nuevo tipo de campo, parecido a los campos
eléctricos y magnéticos, al que algunos cosmólogos llaman quintaesencia.
En la teoría de la relatividad todos los campos producen atracción
gravitacional por contener energía, pero la quintaesencia produce repulsión
gravitacional.
La constante cosmológica, como propiedad
intrínseca del espacio, no cambia con la expansión del Universo, no interactúa
con la materia y no cambia de valor en distintas regiones. En cambio la
quintaesencia sí podría interactuar con la materia y cambiar de valor. Otra
diferencia detectable (pero aún no detectada) es que la quintaesencia acelera
la expansión del Universo menos que la constante cosmológica. Los nuevos
telescopios, tanto terrestres como espaciales, que se están construyendo nos
ayudarán a elegir.
El fin de todo
Antes de 1998 se consideraban, en esencia,
dos posibles capítulos finales para el Universo: ¿sería la fuerza de gravedad
total lo bastante intensa como para frenar la expansión e invertirla, o
seguiría el Universo creciendo para siempre? En el primer caso el Universo
terminaba con un colosal apachurrón exactamente simétrico al Big Bang;
en el segundo, la expansión seguía eternamente, diluyendo el cosmos y
haciéndolo cada vez más aburrido.
Con el descubrimiento de la expansión
acelerada y la energía oscura las cosas han cambiado. Si bien aún no se puede
decidir si la energía oscura es constante cosmológica o quintaesencia, está
claro, en todo caso, que la posibilidad del “Big Crunch” queda excluida. El
Universo seguirá expandiéndose para siempre hasta que desde la Tierra no veamos
ya otras galaxias por haber aumentado tanto las distancias que su luz ya no nos
alcance.
Pero nuestra propia galaxia seguirá
acompañándonos, por así decirlo. Las estrellas que la componen seguirán unidas
por la fuerza gravitacional, como también seguirán unidos los planetas a sus
estrellas. De modo que, pese a todo, las cosas en la Tierra seguirán su curso
normal. Pequeño detalle: al Sol se le acabará el combustible en 5 000 millones
de años, de modo que, más allá de ese tiempo, no se puede decir que las cosas
en la Tierra sigan su curso normal.
Algunos cosmólogos propusieron una
variante de la teoría de la energía oscura que consiste en tomar en cuenta ciertos
valores, antes desdeñados, de un parámetro que la describe. Para distinguirla
de la quintaesencia los científicos llamaron “energía fantasma” a la energía
oscura de este tipo. No precipiten conclusiones los esotéricos: estos nombres
son sólo nombres, que no llevan significado oculto ni ocultista. A los
científicos les gustan los nombres llamativos, como a cualquiera.
Si la energía oscura resulta ser de tipo
energía fantasma, el final del Universo será muy distinto a lo que nos habíamos
imaginado. Según el físico Robert Caldwell y sus colaboradores, llegará un día,
dentro de unos 22 mil millones de años, en que la aceleración de la expansión
del Universo empezará a notarse a escalas cada vez más pequeñas para producir
un final que se llama Big Rip (el “Gran Desgarrón”). Mil
millones de años antes del Big Rip, la energía fantasma superará a la
atracción gravitacional que une a unas galaxias con otras y se desmembrarán los
cúmulos de galaxias. Sesenta millones de años antes del fin, se desgarran las
galaxias. Tres meses antes del Big Rip, el efecto alcanza la escala
de los sistemas planetarios: los planetas se desprenden de sus estrellas.
Faltando 30 minutos para el postrer momento, los planetas se desintegran. En la
última fracción de segundo del Universo los átomos se desgarran. Luego, nada.
Conclusiones
Podemos concluir
que la ciencia al parecer aún está plagada de misterios de la cual no se trata
de conocer todas las respuestas sino de encontrar cada vez más preguntas,
porque lo que antes se consideraba un hecho como la composición del universo
hoy no lo es. Lo que se descubra y se estudie en los próximos años tanto de la
materia como la energía oscura que nos podría abrir una ventana a una
diezmilésima del origen del universo permitiendo entender como se formó, y tal
vez y solo tal vez permitirnos una inquietud inherente al ser humano y que los
griegos de la antigüedad se comenzaron a preguntar …
¿De qué están
hechas todas las cosas?
Reflexión final
En este tema del cual ya tenía cierta
noción, partí de varios artículos cuyas fuentes incluyo al final realizando un
par de borradores y aunque me gustaría entrar más a fondo en el tema que de por
si es interesante trate de ser lo más concreto posible. Y llamo mi atención sin dudarlo porque uno de
mis mayores anhelos es contagiar la pasión por la investigación y en lugar de
dejar el conocimiento científico en manos de unos cuantos, se extienda a la
mayor cantidad de personas posibles para así evitar hacer mala ciencia y todas
las consecuencias que se derivan.
https://www.youtube.com/watch?v=2B8OLacXmCQ
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