La materia oscura

Una nueva teoría dice que la materia oscura y la energía oscura podrían proceder de un único fluido oscuro que se extiende por todo el universo. Y ello significaría que las búsquedas terrestres de materia oscura no darían ningún resultado.

La materia oscura, según la hipótesis original, es una masa oculta de más que los astrofísicos estiman necesaria para mantener unidas las galaxias que giran rápidamente. La noción más popular es que esta materia la constituye una partícula todavía no identificada que prácticamente no interacciona con la luz ni con la materia normal. Pero parece estar en todas partes y actuar como andamio de las agrupaciones galácticas y de toda la estructura del universo.

Por otra parte, la energía oscura es necesaria para explicar la recientemente descubierta aceleración de la expansión del universo. Supuestamente existe en todo el espacio y ejerce una presión que contrarresta la gravedad.

Es paradójico que una sustancia pueda ser a la vez un ancla gravitacional para las galaxias y una fuerza antigravitatoria para el universo. No obstante HongSheng Zhao, de la Universidad de St. Andrews en Escocia, alega que una energía oscura similar a un fluido puede comportarse como materia oscura si alcanza una densidad lo bastante alta.

“La energía oscura es una propiedad del vacío; de campos que no se ven fácilmente” declaró Zhao a Space.com. “A partir de ahí, podemos inferir el efecto de la materia oscura”.

Zhao compara este fluido oscuro con la atmósfera terrestre. La presión atmosférica hace que el aire se expanda, pero una parte del aire puede colapsarse para formar nubes. De la misma forma, el fluido oscuro podría expandirse en general pero podría también condensarse alrededor de las galaxias para ayudar a mantenerlas unidas.

Unificación

Zhao no es el primer teórico que intenta situar la energía oscura y la materia oscura en un mismo marco de trabajo.

El tipo de fluido oscuro que estudia Zhao es similar al que concibieron hace unos cuantos años Pedro Ferreira y sus colegas de la Universidad de Oxford.

“[Nuestra teoría] implica proponer una dirección preferida del tiempo, en cierto sentido un marco temporal especial” declaró Ferreira. “Presenta el interesante efecto de modificar la teoría general de la relatividad de Einstein”. La idea es similar a la del “éter”, un medio invisible que los antiguos físicos creían que eran ondas de luz permeables. La relatividad de Einstein eliminó la necesidad de tal medio, pero los cosmólogos han descubierto recientemente que una sustancia similar al éter puede imitar a la materia oscura.

La presencia de tal sustancia cambia la manera en que funciona la gravedad. Esto es muy evidente en las afueras lejanas de una galaxia, donde el tirón gravitacional de la galaxia debería ser pequeño pero el éter lo hace mucho más fuerte.

El éter “efectivamente suaviza el espacio-tiempo en regiones de baja aceleración [gravitacional], haciéndolo más sensible de lo habitual a la presencia de masa”, explicó Ferreira.

Zhao ha refinado este enfoque y ha descubierto que puede encajar con gran cantidad de información astronómica, según informó en un reciente artículo publicado en Astrophysical Journal Letters.

“Me gusta [el modelo de Zhao] porque demuestra que estas teorías son predictivas y, si se resuelven en detalle, se pueden probar adecuadamente mediante la experimentación” declaró.

Por ejemplo, el fluido de Zhao se divide en una parte de energía oscura y una parte de materia oscura con el mismo ratio que se halla en las observaciones (la energía oscura corresponde aproximadamente a un 75 por ciento del contenido en masa-energía del universo, mientras que la materia oscura corresponde aproximadamente a un 21 por ciento y la materia normal forma el 4 por ciento restante).

Aunque el fluido nos rodea, Zhao ha descubierto que no afecta al movimiento de la Tierra ni de otros planetas, lo cual resulta “tranquilizador”, dijo, porque los datos demuestran que nuestro sistema solar obedece a la gravedad tradicional con una gran exactitud.

Pero el fluido sí afecta a la velocidad a la que pueden rotar las galaxias. Hace unos 75 años, los astrónomos observaron que las galaxias giraban más deprisa de lo previsto a partir de la cantidad de materia normal emisora de luz que contenían. La respuesta parecía requerir alguna forma de materia oscura invisible.

No obstante, Zhao ha demostrado que este fluido puede evitar que las galaxias se separen, de la misma forma que puede hacerlo la materia oscura.

Zhao también ha ensayado este modelo con los cúmulos de galaxias que colisionan, en las que una colisión masiva parece haber eliminado gas caliente de su envoltura de materia oscura. Esta materia oscura “desnuda” se consideraba una prueba irrefutable de las teorías tradicionales sobre la materia oscura, pero Zhao alega que este fluido puede reproducir el mismo efecto.

Christian Boehmer, del University College de Londres, considera “concluyente” que el modelo de Zhao pueda reproducir tanta información galáctica.

Búsqueda de palabras

Si el fluido oscuro imita a la materia oscura, entonces los científicos están buscando en vano la escurridiza partícula de materia oscura, llamada a menudo WIMP (sigla en inglés de Partícula Masiva de Débil Interactuación).

Actualmente, diversos experimentos intentan detectar una rara colisión de un WIMP en la Tierra u observar rayos gamma de lejanas auto-aniquilaciones de WIMP.

“Las detecciones directas serán más difíciles” declaró Zhao. Puede que los WIMPs sigan existiendo, pero no habrá tantos como se preveía.

Sin WIMPs de los que preocuparse, el fluido oscuro podría hacer más fácil el trabajo de los científicos.

Pero pocos cosmólogos están dispuestos a abandonar ya la materia oscura. La idea del fluido oscuro es muy nueva y todavía hay que afinar algunos aspectos, mientras que la materia oscura es una teoría muy madura.

“El modelo actual [materia oscura] es el que mejor encaja con los datos, y en consecuencia es el mejor modelo de que disponemos” dijo Boehmer.

No obstante, Boehmer reconoce que el hecho de que dos incógnitas –la materia oscura y la energía oscura– compongan el 95 por ciento del universo es un poco incómodo para la cosmología.

“Francamente, no son más que palabras caprichosas que utilizamos para nombrar algo que no comprendemos” declaró.

Si un modelo más sencillo (con una sola palabra) puede explicar todos los datos, entonces los cosmólogos lo aceptarían sin reservas, según declaró Boehmer.

Después de la Explosión:

La evolución de la supernova después de la explosión, es una en la cual el material eyectado continúa expandiéndose en una capa alrededor del sitio progenitor, mientras que, en las supernovas del Tipo II, la estrella de neutrones central permanece. El material eyectado continúa expandiéndose durante miles de años, hasta que choca con gases y nubes de polvo en el espacio interestelar circundante. Allí el gas eyectado se mezclará con el material interestelar, y eventualmente podrá ser incorporado a una nueva generación de estrellas.

Supernovas Tipo I

Supernova de tipo I a (punto luminoso, abajo, izquierda). Las supernovas de este tipo brillan todas aproximadamente lo mismo. Midiendo la luminosidad aparente desde la Tierra podemos inferir a qué distancia se encuentra la supernova, y por lo tanto la galaxia en la que se encuentra.

Las supernovas del Tipo I son objetos aún más brillantes que aquellos del Tipo II. Aún cuando el mecanismo de la explosión es algo similar, la causa es muy diferente.

El origen de una supernova del Tipo I es un antiguo, evolucionado sistema binario, en el que al menos un componente es una estrella enana blanca.
Las enanas blancas son muy pequeñas y compactas estrellas que han colapsado hasta un tamaño cercano a un décimo del tamaño del Sol. Ellas representan la etapa evolutiva final de todas las estrellas de poca masa. Los electrones en una enana blanca están sujetos a restricciones de la mecánica cuántica (la materia se llama degenerada), y este estado sólo puede ser mantenido para masas estelares menores que cerca de 1,4 veces la del Sol.

El par de estrellas pierde momento angular, hasta que están tan cercanas que la materia de la estrella compañera es transferida a un grueso disco alrededor de la enana blanca, y es gradualmente incorporada por la enana blanca.
La masa transferida desde la estrella gigante, aumenta la masa de la enana blanca hasta un valor significativamente mayor que el valor crítico, y como consecuencia de ello, toda la estrella colapsa, y la 'combustión' nuclear del carbón y el oxígeno en níquel, produce suficiente energía como para volar la estrella en pedazos. La energía liberada subsecuentemente es, como en el caso del Tipo II, proveniente de la descomposición radioactiva del níquel, a través del cobalto, en hierro.

Supernovas Tipo II

La estructura de todas las estrellas está determinada por la batalla entre la gravedad y la presión de radiación resultante de la generación interna de energía. En las etapas primitivas de la evolución de una estrella, la generación de energía en su centro proviene de la conversión de hidrógeno en helio. Para estrellas con masas de cerca de 10 veces la del Sol, esto continúa durante cerca de diez millones de años.

Luego de este tiempo, todo el hidrógeno en el centro de tal estrella se agota, y el 'quemado' de hidrógeno sólo puede continuar en una capa alrededor del núcleo de helio. El núcleo se contrae bajo la gravedad, hasta que su temperatura es lo suficientemente alta como para que pueda ocurrir el 'quemado' del helio en carbono y oxígeno. La fase de 'quemado' del helio dura cerca de un millón de años, pero eventualmente el helio en el centro de la estrella se agota, y continúa, como el hidrógeno, 'quemándose' en una capa. El núcleo de nuevo se contrae, hasta que está suficientemente caliente como para la conversión de carbono en neón, sodio y magnesio. Esto dura por cerca de unos 10 mil años.

SN 1987a, en el centro de la imagen (las otras dos son estrellas normales). Se observa los anillos de materia desprendidos durante los años anteriores a la explosión de la supernova, que ahora brillan debido a la onda de choque de la explosión.

Este patrón de agotamiento del núcleo, contracción, y 'quemado' de capas, se repite mientras el neón es convertido en oxígeno y magnesio (durante unos 12 años), el oxígeno se convierte en silicio y azufre (cerca de 4 años), y finalmente el silicio se convierte en hierro, en cerca de una semana.

No puede obtenerse más energía por fusión una vez que el núcleo ha llegado al hierro, así que no hay presión de radiación para balancear la fuerza de la gravedad. El colapso ocurre cuando la masa de hierro alcanza 1,4 masas Solares. La compresión gravitacional calienta el núcleo hasta un punto en el que decae endotérmicamente en neutrones. El núcleo colapsa desde la mitad del diámetro de la Tierra hasta cerca de 100 Km en unas pocas décimas de segundo, y en cerca de un segundo se convierte en una estrella de neutrones de 10 Km de diámetro. Esto libera una enorme cantidad de energía potencial, principalmente en forma de neutrinos, que transportan cerca del 99% de la energía.

Se produce una onda de choque que pasa, en dos horas, a través de las capas externas de la estrella, causando que ocurran reacciones de fusión. Estas forman los elementos pesados. En particular el silicio y el azufre, formados poco antes del colapso, se combinan para producir níquel y cobalto radioactivos, que son responsables por la forma de la curva de la luz luego de las primeras dos semanas.

Cuando la onda de choque llega a la superficie de la estrella, la temperatura alcanza los 200.000 grados, y la estrella explota a cerca de 15.000 Km/seg. Esta envoltura en rápida expansión se ve como la veloz elevación inicial del brillo. Es más bien como una enorme bola de fuego que se expande rápidamente y se adelgaza, permitiendo ver la radiación de más adentro, cerca del centro de la estrella original. Subsecuentemente, la mayor parte de la luz proviene de la energía liberada por la descomposición radioactiva del cobalto y el níquel producidos durante la explosión.

Supernovas

Una supernova es una estrella que, al final de su vida, se destruye en una gran explosión que da lugar a que se incremente la luminosidad de la estrella de forma espectacular. Se ven más comúnmente en galaxias distantes, en la Vía Láctea se tiene constancia de muy pocas supernovas. Son extremadamente brillantes, rivalizando, por unos pocos días, con la emisión de luz combinada de todo el resto de las estrellas en la galaxia.

Dado que la mayoría de las supernovas ocurren en galaxias distantes, su brillo aparente es muy débil, incluso para los grandes telescopios. Ocasionalmente ocurren en galaxias cercanas, y entonces es posible un estudio detallado de sus características.

La última supernova fue vista en nuestra galaxia, la Vía Láctea, en 1604 por Kepler. La más brillante desde entonces ha sido la supernova 1987A, en la Gran Nube de Magallanes, una pequeña galaxia satélite de la Vía Láctea.

Las supernovas se clasifican en dos tipos. Las supernovas de Tipo I resultan de la transferencia de masa dentro de un sistema binario que consiste de una estrella enana blanca y una estrella gigante. Las supernovas de Tipo II son, en general, estrellas masivas individuales que llegan al fin de sus vidas con una formidable explosión.

La Teoría de la Relatividad

Según las leyes del movimiento establecidas por primera vez con detalle por Isaac Newton hacia 1680-89, dos o más movimientos se suman de acuerdo con las reglas de la aritmética elemental. Supongamos que un tren pasa a nuestro lado a 20 kilómetros por hora y que un niño tira desde el tren una pelota a 20 kilómetros por hora en la dirección del movimiento del tren. Para el niño, que se mueve junto con el tren, la pelota se mueve a 20 kilómetros por hora. Pero para nosotros, el movimiento del tren y el de la pelota se suman, de modo que la pelota se moverá a la velocidad de 40 kilómetros por hora.

No se puede hablar de la velocidad de la pelota a secas. Lo que cuenta es su velocidad con respecto a un observador particular. Cualquier teoría del movimiento que intente explicar la manera en que las velocidades (y fenómenos afines) parecen variar de un observador a otro sería una «teoría de la relatividad».

La teoría de la relatividad de Einstein nació del siguiente hecho: lo que funciona para pelotas tiradas desde un tren no funciona para la luz. En principio podría hacerse que la luz se propagara, o bien a favor del movimiento terrestre, o bien en contra de él. En el primer caso parecería viajar más rápido que en el segundo (de la misma manera que un avión viaja más aprisa, en relación con el suelo, cuando lleva viento de cola que cuando lo lleva de cara). Sin embargo, medidas muy cuidadosas demostraron que la velocidad de la luz nunca variaba, fuese cual fuese la naturaleza del movimiento de la fuente que emitía la luz.

Einstein dijo entonces: supongamos que cuando se mide la velocidad de la luz en el vacío, siempre resulta el mismo valor (unos 299.793 kilómetros por segundo), en cualesquiera circunstancias. ¿Cómo podemos disponer las leyes del universo para explicar esto? Einstein encontró que para explicar la constancia de la velocidad de la luz había que aceptar una serie de fenómenos inesperados.

Halló que los objetos tenían que acortarse en la dirección del movimiento, tanto más cuanto mayor fuese su velocidad, hasta llegar finalmente a una longitud nula en el límite de la velocidad de la luz; que la masa de los objetos en movimiento tenía que aumentar con la velocidad, hasta hacerse infinita en el límite de la velocidad de la luz; que el paso del tiempo en un objeto en movimiento era cada vez más lento a medida que aumentaba la velocidad, hasta llegar a pararse en dicho límite; que la masa era equivalente a una cierta cantidad de energía y viceversa.

Todo esto lo elaboró en 1905 en la forma de la «teoría especial de la relatividad», que se ocupaba de cuerpos con velocidad constante. En 1915 extrajo consecuencias aún más sutiles para objetos con velocidad variable, incluyendo una descripción del comportamiento de los efectos gravitatorios. Era la «teoría general de la relatividad».

( Nacido el 14 de marzo de 1879, en Ulm, Alemania.
Fallecido el 18 de abril de 1955, en
Princenton, Estados Unidos. )

Los cambios predichos por Einstein sólo son notables a grandes velocidades. Tales velocidades han sido observadas entre las partículas subatómicas, viéndose que los cambios predichos por Einstein se daban realmente, y con gran exactitud. Es más, sí la teoría de la relatividad de Einstein fuese incorrecta, los aceleradores de partículas no podrían funcionar, las bombas atómicas no explotarían y habría ciertas observaciones astronómicas imposibles de hacer.

Pero a las velocidades corrientes, los cambios predichos son tan pequeños que pueden ignorarse. En estas circunstancias rige la aritmética elemental de las leyes de Newton; y como estamos acostumbrados al funcionamiento de estas leyes, nos parecen ya de «sentido común», mientras que la ley de Einstein se nos antoja «extraña».

Corrimiento Doppler

El efecto Doppler es más conocido por el sonido de un tren que, por ejemplo, al aproximarse hace un sonido más alto (más agudo) que si el tren se aleja. En el primer caso las ondas de sonido se agolpan, en el segundo se separan.

A las ondas de luz les sucede lo mismo. Un objeto que se aproxima rápidamente aparecerá mas azul de lo que es, uno que se aleja parece mas rojo.

El efecto es pequeño en las condiciones normales de los astros, por lo que no es visible fácilmente. No debe ser confundido con los colores de las estrellas. Este corrimiento nos informa acerca de la velocidad a que se aleja o se acerca un objeto. La mayor parte de las galaxias tienen grandes corrimientos al rojo, lo que significa que se alejan rápidamente, y es una de las primeras evidencias del Big Bang.

Se calcula:

Dif. long onda Dif. veloc.

--------------- = --------------

Long. de onda Vel. de la luz

A altas velocidades, debe aplicarse la formula con consideraciones de la teoría de la Relatividad.