3 Mar 2020 - 1:42 a. m.

Los secretos de la materia y la energía oscura

Materia oscura y la energía oscura son dos términos que, aunque siempre han sido intrigantes, esconden una particularidad. ¿Cómo sabemos que existen? ¿De qué están hechas? ¿En qué se diferencian?

Héctor Rago*/ @hectorrago

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Los físicos tratan de ser coherentes en sus teorías. Pero donde son muy incoherentes los físicos es nombrando las cosas. Después de más de un siglo de repetirnos que materia y energía son equivalentes (¿no es E = MC2 la fórmula más mediática de la física?) entonces se les ocurre llamar a materia oscura y energía oscura a dos cosas distintas… y que además no son oscuras. Pero lo cierto es que el universo tiene su lado oscuro…y es muy grande.

¿Qué son la materia oscura y la energía oscura? ¿Cómo sabemos que existen? ¿De qué están hechas? ¿En qué se diferencian?

Comencemos señalando las similitudes. La primera: no sabemos qué son ninguna de las dos, es decir no conocemos qué tipo de partículas las componen. Solo sabemos que no están compuestas de la materia normal de la que están hechas las estrellas, los planetas y las personas. No están hechas de protones, neutrones, electrones o neutrinos. Además, ni la materia oscura ni la energía oscura sienten las fuerzas eléctricas y magnéticas y por tanto no interactúan con la luz, no la emiten ni la absorben. Son inmunes a las ondas electromagnéticas en todas las frecuencias, desde el radio, pasando por la luz visible hasta los rayos gamma. El calificativo oscuras no aplica, son transparentes.

¿Entonces cómo sabemos que existen? Porque la gravitación es universal y todo lo que tenga masa-energía crea gravedad. Ambas, materia oscura y energía oscura se detectan por sus efectos gravitacionales. Ya desde los años 30 del siglo pasado Paul Zwicky había observado en agrupaciones de galaxias ligadas por atracción gravitatoria, que la velocidad promedio de las galaxias era mucho más grande que lo que la masa total del cúmulo permitía. Como si hubiera masa que contribuye a la gravedad del cúmulo pero que no se ve. En los años 70 la gran astrónoma norteamericana Vera Rubin confirmó que las velocidades de estrellas que orbitan alrededor del centro de las galaxias tienen un comportamiento anómalo: las más alejadas deberían orbitar más lento que las más cercanas; sin embargo, lo que se observa es que la rapidez se mantiene esencialmente constante. Este comportamiento puede explicarse suponiendo que la galaxia está inmersa en un halo de materia oscura que actúa gravitacionalmente sobre las estrellas.

Otra evidencia viene de las lentes gravitacionales. La gravedad desvía la luz y el grado de desviación es mayor mientras mayor sea la masa que actúa como lente gravitacional. Esa es la predicción que convirtió a Einstein en un “super-star”. Podemos usar ese efecto para calcular el valor de masas de grandes cúmulos midiendo las desviaciones de la luz. De nuevo, la masa inferida por este método es mucho mayor que la masa que vemos.

La materia oscura es fundamental en las simulaciones de formación de estructuras como galaxias. La materia normal sucumbe a la fuerza de atracción de la materia oscura y allí se forman galaxias y cúmulos de galaxias. Si no se incluye materia oscura en las simulaciones, el resultado no se parece a nuestro universo: las evidencias de materia oscura son vigorosas.

¿Qué forma la materia oscura? Honestamente no lo sabemos. Los grandes aceleradores no nos han ayudado a vislumbrar ninguna partícula elemental que haga el trabajo. Hay algunos candidatos, partículas bautizadas como wimps, por sus siglas en inglés, pero más nada que candidatos. Todo oscuro.

Por otra parte, energía oscura es cualquier entidad que haga que la expansión del universo se acelere, y su naturaleza es aún más oscura que la de la materia oscura.

 La aceleración del universo fue descubierta finalizando el siglo pasado estudiando la luz de supernovas lejanas por dos equipos independientemente cuyos líderes obtuvieron posteriormente el premio Nobel. La energía del vacío es la mejor apuesta para ser la energía oscura, y es una versión de la famosa constante cosmológica introducida por Einstein y posteriormente desechada al calificarla como el mayor error de su vida. Clásicamente el vacío es inerte, pero cuánticamente es un maremágnum de partículas y antipartículas que se crean y se aniquilan constantemente y esa efervescencia podría tener consecuencias gravitacionales. Los cálculos teóricos para tratar de estimar el valor de la energía del vacío, no coincide ni de cerca con el valor que se obtiene de las observaciones, pero eso es otro cantar. Todo oscuro.

Materia y energía oscura son nombres para designar a nuestra ignorancia. Ellas están en el centro de las investigaciones para desentrañar su naturaleza, y las áreas con las que las cercamos son astrofísica, cosmología, gravitación, física de altas energías y teoría cuántica. El modelo más exitoso de universo, llamado modelo de la concordancia o LCDM (la letra griega lambda, por la constante cosmológica, Cold Dark Matter, materia oscura fría) establece que nuestro universo tiene alrededor de 25% de materia oscura, 70% de energía oscura y un tímido 5% de materia normal, y cuyas leyes entendemos razonablemente bien. Desentrañar la naturaleza del 95% de lo que forma el universo, es uno de las asignaturas pendientes de la física.

La historia del universo es la competencia entre la materia oscura que lo frena y la energía oscura que lo acelera. A medida que el espacio se expande, la materia y la radiación se diluyen; en cambio, la densidad del vacío permanece constante, y por eso triunfará en la competencia, el universo se expandirá cada vez a un ritmo mayor y esa aceleración tiene importantísimas consecuencias para el futuro del universo.

*Realizador de Astronomía Al Aire, blog y podcast de divulgación científica / Profesor de la Universidad Industrial de Santander

 

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