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Cosmología

El universo invisible

Astrónomos y físicos del todo el mundo intentan develar de qué está hecho el 96% del Cosmos

XMM-NEWTON/ESA/COSMOSLa Agencia Espacial Europea (ESA, sigla en inglés) dio a conocer a finales de enero una imagen que muestra la concentración de galaxias ubicadas a diferentes distancias en una pequeña región del Universo. Cada punto coloreado en la imagen corresponde a un agrupamiento con centenares o millares de galaxias, cada una formada por centenas de miles de millones de estrellas y una cantidad elevada de gas muy caliente. Son lo que los astrónomos denominan aglomerados de galaxias, las estructuras en equilibrio de mayor dimensión y masa detectadas en el Cosmos. Calculando la cantidad de cuerpos celestes que pueden existir allí, se hace difícil imaginar que los mismos contribuyan para componer tan sólo un 4,6% de todo lo que existe en el Universo. El resto, a decir verdad, casi todo, no puede verse. El otro 95,6% está compuesto, de acuerdo con la inmensa mayoría de los físicos y de los astrónomos, por dos tipos de elementos descubiertos recién en los últimos 80 años: la materia oscura y la energía oscura, sobre los cuales no se sabe casi nada, más allá del hecho de que necesitan existir para que el Universo sea como se imagina que es. Esta forma de materia y de energía, objeto de una serie de experimentos internacionales que cuentan con la participación de brasileños, algunos ya en marcha y otros con iniciación prevista en los próximos años, no absorbe ni emite luz, y es por lo tanto invisible a simple vista.

Ningún equipo en actividad ha sido hasta el momento capaz de detectarlas directamente. Pero los físicos prevén la existencia de ambas en sus modelos de evolución del Cosmos, y los astrónomos infieren la presencia de las mismas con base en las marcas que dejan en la estructura del Universo, detectables en imágenes como ésa producida por la ESA, producto del Estudio sobre la Evolución Cosmológica (Cosmos). Dicho proyecto cuenta con los mayores telescopios apostados en tierra y en el espacio para barrer una región del cielo del tamaño de ocho lunas llenas.

Fue recién en el último siglo que la comprensión del Universo se complicó tanto. En la década de 1920, el astrónomo estadounidense Edwin Hubble se dio cuenta de que el Cosmos estaba formado por grandes agrupamientos de estrellas –las galaxias– y que éstas estaban alejándose unas de las otras. La constatación de que el Universo estaba expandiéndose llevó a los físicos y a los astrónomos a rever sus ideas, pues hasta entones se creía que era estático y finito.

Estudiando las galaxias, el astrónomo búlgaro Fritz Zwicky, considerado por muchos un malhumorado, notó en 1933 que las mismas necesitarían 10 veces más masa que la que tenían para unirse en aglomerados solamente debido a la atracción gravitacional, la fuerza propuesta por Isaac Newton para explicar la atracción de cuerpos de masa elevada a distancias muy grandes, tales como los planetas y las estrellas. La masa que no se logró ver fue llamada materia oscura. La energía oscura solamente sería propuesta alrededor de 70 años más tarde, cuando los grupos de Adam Riess y Saul Perlmutter, que investigaban supernovas, estrellas que explotaron pasando a emitir un brillo millones de veces más intenso, estaban alejándose de nosotros cada vez más rápido. El Universo no se encontraba únicamente en expansión, sino en expansión acelerada. Algo desconocido, una especie de fuerza contraria a la de la gravedad –luego llamada energía oscura–, hacía que el Cosmos creciera a velocidades cada vez mayores como una sábana de goma tirada de las puntas.

Pocos científicos dudan hoy en día acerca de la  existencia de la materia oscura y de la  energía oscura, también conocidas como el componente oscuro del Universo. El principal reto –muchos investigadores lo consideran una de las cuestiones más importantes por resolverse– consiste en determinar la naturaleza de ambas, es decir, qué las componen.

Sobre este punto, físicos y astrónomos no dan nada por seguro. A lo sumo tienen buenas corazonadas. Y al igual que los demás habitantes del planeta, seguirán a oscuras hasta que una avalancha de datos sobre más agrupamientos de galaxias y otras estructuras del Universo más antiguas que las observadas actualmente comience a alimentar sus computadoras.

HST/CXC/NASA“Nunca se había cuantificado nuestra ignorancia con tanta precisión”, comenta el astrónomo Laerte Sodré Júnior, de la Universidad de São Paulo (USP), en referencia a los cálculos más aceptados hoy en día acerca de la cantidad de materia oscura y de energía oscura existentes en el Cosmos: un 22,6% y un 72,8%, respectivamente. Sodré estudia hace casi 30 años los aglomerados de galaxias, que reúnen alrededor del 10% de las galaxias existentes y puede pensarse como las metrópolis cósmicas: al igual que las metrópolis de la Tierra, son pocas, pero tienen dimensiones impresionantes y son muy populosas.

Con base en informaciones sobre aglomerados de galaxias y otros astros muy antiguos y lejanos, los físicos teóricos Élcio Abdalla, Luis Raul Abramo y Sandro Micheletti, todos del Instituto de Física (IF) de la USP, en asociación con el físico chino Bin Wang, decidieron recientemente verificar si los datos de esas observaciones astronómicas confirmaban una idea planteada años antes por otro brasileño, el físico Orfeu Bertolami, investigador del Instituto Superior Técnico de Lisboa, en Portugal. Casi una década atrás, poco después de reunidas las primeras evidencias de que la energía oscura existe, Bertolami planteó que si la materia y la energía oscura interactuasen como había sugerido el astrónomo italiano Luca Amendola, esa influencia mutua dejaría señales en estructuras muy grandes del Cosmos, a ejemplo de los aglomerados de galaxias.

Partículas
A los que no están habituados puede parecerles extraño imaginar que algo que no se sabe muy bien qué es afecte de alguna manera a otra cosa sobre la cual no se tiene el menor conocimiento. Pero no es lo que los físicos piensan. Sea cual sea la naturaleza de la materia oscura y la de la energía oscura, es de esperarse que el comportamiento de ambas en la escala de lo infinitamente pequeño (el mundo de las partículas atómicas) influya en el mundo de lo infinitamente grande. Por eso el conocer la interacción entre ellas –y de ellas con la materia visible– puede ayudar a comprender cómo y en cuánto tiempo el Universo se formó y se convirtió en lo que es, e hizo así posible incluso la existencia de la vida. “Si creemos en alguna medida en el modelo patrón de la física de partículas, que explica la composición de la materia bariónica [la materia común, compuesta de protones, neutrones y electrones, y formadora de las estrellas, de los planetas y de todo lo demás conocido] y de qué manera interactúan entre sí las partículas que la forman, no existe ningún motivo para dudar que también pueda existir interacción entre la materia oscura y la energía oscura”, afirma Abdalla.

052-057_materia escura_168Inicialmente Abdalla, Micheletti y Bin Wang, de la Universidad Fudan, en Shangai, elaboraron un modelo rudimentario en el cual describieron la materia oscura y la energía oscura con propiedades similares a las de líquidos y gases como el agua y el aire, a los cuales los físicos denominan fluidos, materias formadas por capas que se mueven continuamente unas en relación con las otras. En ese desplazamiento, pueden deformarse recíprocamente. En la construcción del modelo, una serie de ecuaciones matemáticas que apuntan a describir qué sucedió en el pasado y predecir qué sucederá en el futuro tuvo en consideración informaciones obtenidas durante años mediante la observación de cuásares, núcleos de galaxias sumamente brillantes y antiguos; supernovas, estrellas que explotaron y pasaron a emitir una luz millones de veces más intensa que la normal; y de la  radiación cósmica de fondo en microondas, una forma de energía electromagnética producida en los instantes iniciales después del Big Bang, la explosión inicial que generó el Universo y  el propio tiempo hace 13.700 millones de años atrás.

Aun sin determinar el modo en que la materia oscura y la energía oscura interactuaban –únicamente supusieron que la interacción sucedería–, verificaron que al resolver esas ecuaciones más las formuladas por Einstein en la teoría de la relatividad general, obtenían un Universo similar al que se conoce hoy: en expansión acelerada, con todo lo que existe en él se alejándose cada vez más rápido, de acuerdo con un artículo presentado en junio de 2009 en Physical Review D. En la interacción, de acuerdo con este modelo, la energía oscura liberaría radiación y se convertiría en materia oscura, una consecuencia de la famosa ecuación E=m.c², según la cual, en determinadas condiciones, la materia puede transformarse en energía y la energía en materia.

Interacción
Pero no era suficiente. Con el físico Luis Raul Abramo, Abdalla perfeccionó el modelo y en tal oportunidad buscó una forma de interacción entre la energía oscura y la materia oscura en las informaciones obtenidas en 33 aglomerados de galaxias, 25 de ellos estudiados años atrás en detalle por Laerte Sodré y Eduardo Cypriano, investigadores del Instituto de Astronomía, Geofísica y Ciencias Atmosféricas (IAG) de la  USP. En colaboración con Sodré, Abdalla, Abramo y Wang emplearon tres métodos conocidos para estimar la cantidad de materia (masa) de los aglomerados de galaxias. Si no hubiera interacción, los resultados deberían ser iguales o de mínima muy parecidos. Pero si la materia oscura se transformase en energía oscura o viceversa, uno de estos  valores, sensible a dicha conversión, diferiría de los demás. En el trabajo publicado en 2009 en Physics Letters B, afirman que existe una posibilidad real, aunque pequeña, de que la interacción efectivamente suceda, con la energía oscura convirtiéndose en materia oscura.

art4055img5HIGH-Z SUPERNOVA SEARCH TEAM/HST/NASAIncluso el propio grupo observa ese resultado con cautela, porque se mantienen algunas dudas en lo que hace a la medición de las masas de los aglomerados de galaxias. Algunas de esas técnicas dependen de que esos agrupamientos se encuentren en equilibrio y no interactúen con otras galaxias o aglomerados. Pero eso es poco probable porque la masa de los aglomerados es muy elevada y atrae a todo lo que está cerca. “La incertidumbre en la medición de la masa de cada aglomerado es grande”, comenta Abramo. “Este modelo será probado durante algunos años. Analizamos 33 aglomerados de galaxias, pero, para estar seguros, deberíamos evaluar centenares o millares”, afirma Sodré, quien actualmente negocia con astrónomos y físicos españoles la participación brasileña en el proyecto Javalambre Physics of the Accelerating Universe Survey (J-PAS), destinado a entender mejor las propiedades de la energía oscura y la evolución de las galaxias midiendo con mayor precisión a qué distancia se encuentran.

Las estructuras del Universo
Abdalla, quien tuvo la iniciativa de verificar las señales de esa interacción hace algunos años, sabe que muchos no están de acuerdo con su propuesta. “Una vez un referee [un revisor científico] maleducado dijo que ese trabajo era especulación al cuadrado”, recuerda el físico de la  USP. “Pero de estar en lo cierto y si esa interacción estuviera bien definida, podrá verificársela en experimentos de física de partículas.”

Hace alrededor de cinco años, los físicos teóricos brasileños Gabriela Camargo Campos y Rogerio Rosenfeld, ambos del Instituto de Física Teórica de la Universidad Estadual Paulista (IFT-Unesp), crearon un modelo de interacción entre materia oscura y  energía oscura que también las trataba como fluidos. En dicho trabajo –elaborado en asociación con Luca Amendola, del Observatorio Astronómico de Roma, el autor de la  idea de interacción entre esos elementos–, el dúo brasileño tuvo en consideración tanto las informaciones sobre supernovas como las referentes a la radiación cósmica de fondo. Una vez hechas las cuentas, arribaron a la conclusión de que esa conversión no se produciría, de acuerdo con artículo publicado en 2007 en Physical Review D.

Sin embargo, con las informaciones disponibles actualmente sobre las estructuras del Universo, se hace difícil saber quién tiene razón. “Existen pocos datos y son fragmentados”, comenta Cypriano, astrónomo del IAG-USP. “Necesitamos datos homogéneos y en gran cantidad”. Por tal motivo, más de una docena de proyectos internacionales de gran porte ya pasaron al menos del estadio de planificación.

MPE/V.SPRINGELEl estudio de la estructura y de la evolución de las galaxias lleva a buena parte de los físicos y de los astrónomos a dar por seguro que la materia oscura efectivamente existe, y  que su composición será develada en breve, quizá en una década más. “Si estuviera compuesta de partículas frías de masa muy elevada, diversos modelos de la física de partículas prevén que podrá producírsela en el Large Hadron Collider [LHC]”, afirma Abramo. Instalado en la frontera de Suiza con Francia, el LHC empezó a funcionar en fase experimental a finales de 2009, arrojará partículas atómicas unas contra otras, viajando a velocidades cercanas a la de la  luz, deshaciéndolas en sus menores componentes. En tanto, la respuesta referente a la naturaleza de la energía oscura requerirá mucho más tiempo, pues depende de mapeos extensos de las galaxias y  estrellas halladas en diferentes regiones del cielo.

Uno de estos estudios, que tendrá inicio en el segundo semestre de 2011, es el Dark Energy Surgey (DES), del cual participarían alrededor de 30 brasileños (entre investigadores, estudiantes y técnicos) de instituciones de Río de Janeiro, São Paulo y  Río Grande do Sul. En el marco de este proyecto pretenden usar una supercámara digital –con capacidad de producir imágenes de altísima resolución (500 megapíxeles), 40 veces mayor que la de las cámaras comunes– acoplada al telescopio Blanco del Observatorio Interamericano de Cerro Tololo, en Chile, para recabar a lo largo de cuatro años informaciones de aproximadamente 400 millones de galaxias. “Queremos estudiar la distribución de masa de los aglomerados de galaxias a diferentes distancias”, comenta Luiz Alberto Nicolaci da Costa, astrónomo del Observatorio Nacional (ON) de Río de Janeiro, coordinador de la participación brasileña en el DES. Dependiendo de la masa total del Universo y de la existencia o no de interacción entre materia oscura y energía oscura, puede haber una cantidad mayor o menor de esos  aglomerados a determinadas distancias.

Fuerza repulsiva
Incluso antes de que comience el experimento, Nicolaci sabe que el mismo no aportará una respuesta definitiva acerca de la naturaleza de la energía oscura, la fuerza repulsiva, una especie de antigravedad, que hace que los objetos se alejen a velocidades cada vez mayores en el Universo. “Al comienzo de esta década, un grupo internacional de investigadores se reunió e intentó delinear los experimentos más adecuados que realizarán en cuatro fases para intentar descubrir qué es la energía oscura”, explica el astrónomo del Observatorio Nacional. Los más sencillos ya ha sido concluidos y el DES es de la fase tres. “Con el DES, esperamos restringir la cantidad de aspirantes a energía oscura”, comenta Nicolaci.

NASA/ESA/STSCLUna de las más cotizadas es la llamada energía del vacío, que al contrario de lo que se piensa, no es vacío. El vacío es rico en partículas muy fugaces que surgen y  desaparecen antes de que pueda detectárselas, y podrían suministrar la fuerza antigravitacional que hace que los cuerpos celestes se aparten. Para la física de partículas, la fuerza del vacío es la correspondiente a la constante cosmológica, término que Albert Einstein añadió a las ecuaciones de la relatividad general para que su teoría representase un Universo estático. “Pero esa sería una solución fea, porque la densidad de energía del vacío tendría de ser 10120 [el número uno seguido de 120 ceros] mayor que la observada por los astrónomos”, comenta Élcio Abdalla.

Puede ser que la energía oscura también sea una especie de fluido desconocido, denominado por los astrónomos quintaesencia, en alusión a los cuatro elementos que se creía que componían el Universo (el aire, el agua, el fuego y la tierra). O también, que no exista, y que los efectos que se le adjudican sean consecuencia de que el Universo no es homogéneo como se imagina y de que la Vía Láctea se encuentra en una región que contiene muy poca materia. El astrofísico Filipe Abdalla, investigador de la University College London e hijo de Élcio Abdalla, trabaja en dos experimentos más avanzados, que integran la cuarta fase de la búsqueda de la energía oscura y recién empezarán a funcionar en algunos años: el del satélite Euclid y el del telescopio de microondas Square Kilometre Array, que se erigirá en Sudáfrica o en Australia. “De ser alguna incorrección en las ecuaciones de Einstein, que explican bien la atracción gravitacional en las galaxias”, comentó Filipe durante una visita a São Paulo en agosto de 2009, “estos experimentos nos permitirán saberlo”.

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