LA TERRA INCOGNITA DEL SIGLO XXI -Parte I

LA TERRA INCOGNITA DEL SIGLO XXI
Dr. Vladimir Avila-Reese
Revista “Conocimiento”, N. 93, 2009, p.50
www.conocimientoenlinea.com
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 perméa
uniformemente el universo.
Según múltiples estudios astronómicos, la materia ordinaria, aquella de la que están constituidos los
átomos, las estrellas y galaxias -incluyéndolo a usted- es apenas un poco más del 4% de todo lo que hay
en el cosmos; cerca del 21% es la materia oscura y el restante 75% corresponde a ese medio repulsivo
bautizado como energía oscura (ver Figura 1). ¿Cómo es que se sabe de la materia y energía oscuras?
¿Cómo es que siendo tan abundantes no se ha podido hasta ahora detectarlas, verlas, sentirlas
directamente?
En pleno siglo XXI, así como los geógrafos hace más de quinientos años atrás solían marcar en sus
mapas a las regiones sospechadas pero desconocidas del mundo con la expresión Terra incognita, hoy
la ciencia debe atribuir más del 95% 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 estas 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.
El vertiginoso avance de la cosmología
Hace apenas ochenta años atrás 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 rápido; pero lo más sorpresivo fue
que se descubrieron otras 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; casi todas resultaron estar 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 porque ser estacionario, tal como lo demostraron después las observaciones de
Hubble.
Así, de un mundo reducido a la Vía Láctea y estacionario pasamos en poco 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 concluyó 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.
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 una 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; estos 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 (Figura 2).
La otra componente enigmática del cosmos es la energía oscura y es 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 13,700 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 (Figura 3). A ese medio se bautizó con el nombre genérico de energía oscura y todo
apunta a que en el Universo presente constituye cerca del 75% 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% del volumen de los átomos y las moléculas están constituido de
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 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 está
poblado por campos electromagnéticos.
Los científicos son gente obstinada. Actualmente existen más de una docena de complicados
experimentos bajo tierra intentando capturar a los esquivos neutralinos. Algunos de estos experimentos
constan de enormes cisternas de líquidos pesados rodeados de miles de detectores que, cual paparazzis,
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. En
próximos meses podría ser que también se descubran evidencias indirectas de partículas oscuras en lo
que es el instrumento más grande jamás construido por el ser humano, un acelerador de partículas de 27
Km de diámetro ubicado en la frontera franco-suiza, el LHC (por sus siglas en inglés de Large Hadron
Collider). En este acelerador se podrán también probar las teorías supersimétricas; de demostrarse que
son correctas, entonces sería también un aliciente para pensar que los neutralinos sí existen.
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 la 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 el vacío se transformó por completo en partículas y campos en el
Universo muy temprano, 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 estas componentes decrece, mientras que la del vacío
permanece constante. Por eso llega un momento cuando la densidad del vacío supera a la de la materia
y radiación y pasa a ser la componente dominante, ejerciendo su propiedad repulsiva. Lo que no queda
claro es por cuál razón quedó tuvo que quedar esa ínfima 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 que
generalizan el concepto de la constante cosmológico a componentes repulsivas 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 requieren de determinaciones más precisas
y más hacia el pasado de la historia de expansión de 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. Una revolución científica se avecina. No en vano
se han clasificado a los problemas de la materia y energía oscuras entre los diez más importantes de la
ciencia del nuevo siglo. Nuestro grupo en la UNAM está también detrás de las pista de estas incógnitas
cuya resolución podría sobrepasar la ciencia ficción.
--o0o-FIGURAS
Figura 1. La extraña composición del Universo actual según inferencias astronómicas.
Figura 2. Un Universo en constante transformación, desde la época inflacionaria producida por el vacío
cuántico hasta el Universo de galaxias en expansión acelerada. La materia y energía oscuras son
componentes claves y dominantes necesarias para explicar diversas etapas evolutivas del Universo
como se aprecia en este esquema.
Figura 3. La expansión del Universo estuvo por mucho tiempo frenándose por la acción gravitacional
de la materia. Las evidencias observacionales muestran que recientemente en la historia cósmica este
comportamiento cambió y la expansión empezó a acelerarse. Para explicar tal comportamiento se
invoca la existencia de un medio repulsivo que actúa como un resorte para el espacio. Dicho medio,
genéricamente denominado como energía oscura, tuvo que ser muy débil con relación a la materia y
radiación. Con la expansión del Universo, estos últimos componentes decrecen en su densidad; la idea
es que la energía oscura se mantiene constante o decrece pero poco, de tal manera que llega una época
en que la densidad de la energía oscura supera a la de la materia, actuando entonces con todo su poder
repulsivo sobre el espacio.
--------------------------------------------------------------------------RESEÑA CURRICULAR
Vladimir Avila-Reese es investigador titular del Instituto de Astronomía de la Universidad Nacional
Autónoma de México (UNAM) donde se desempeña como Jefe del Departamento de Astronomía
Extragaláctica y Cosmología, campos en los que es especialista. Los estudios de licenciatura y
maestría los realizó en la Universidad Estatal de San Petersburgo, Rusia, y los de doctorado en la
UNAM, instituciones en las que obtuvo respectivamente mención honorífica y la medalla Alfonso
Caso. Ha publicado 69 artículos en revistas especializadas y memorias de congresos con casi 1400 citas
en la literatura especializada. Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores y de la Academia
Mexicana de Ciencias y ha recibido varias distinciones. Su labor de divulgación de la ciencia ha sido
amplia como autor de capítulos en varios libros y de una treintena de artículos. Ha participado cerca de
65 veces en programas de televisión y radio, ha ofrecido 59 conferencias para todo público y sus
avances científicos han sido reseñados en 15 reportajes periodísticos. En el 2006 fue nombrado
ciudadano de honor de su natal Tarija en Bolivia.