Читать книгу El lado oscuro del universo - Javier Grande - Страница 4

Las observaciones más recientes indican que la materia ordinaria (aquella de la que está hecho todo lo que vemos, desde las galaxias, estrellas y planetas hasta nosotros mismos) constituye apenas un 5 % de todo lo que hay en el universo. El 95 % restante correspondería a dos nuevas sustancias, la materia oscura y la energía oscura, sobre las que aún sabemos muy poco: no podemos verlas, no sabemos de qué están hechas y solo percibimos su presencia a través de los efectos gravitatorios que producen. Y no solo eso, sino que dentro del 5 % de materia ordinaria también hay muchos objetos «oscuros», que permanecen ocultos debido a que casi no emiten radiación.

Actualmente hay muchos experimentos dedicados a estudiar este lado oscuro del universo. Sus resultados nos ayudarán a entenderlo mejor, a formular teorías físicas más generales y puede que incluso a responder algunas preguntas fundamentales, como por ejemplo cuál es el destino del cosmos o si existe vida en otros planetas.

Si queremos adentrarnos en el lado oscuro del cosmos, antes es necesario recordar todo lo que hemos aprendido sobre el universo a lo largo del último siglo. En 1915, Albert Einstein introdujo la teoría de la relatividad general, que permite estudiar la evolución de cualquier sistema gravitatorio, incluida la del conjunto del cosmos. Un poco más tarde, en 1929, Edwin Hubble descubrió que el espacio se estaba expandiendo y eso condujo a la teoría de la gran explosión, según la cual el universo comenzó hace miles de millones de años en un estado de enorme densidad y temperatura, y lleva desde entonces expandiéndose y enfriándose. Esta teoría es capaz de explicar con muchísimo detalle cómo evolucionó el cosmos desde sus primeros instantes y realiza dos predicciones muy concretas.

Por un lado, nos indica la cantidad de elementos químicos ligeros (principalmente hidrógeno y helio) que se habrían producido en los primeros minutos que siguieron a la gran explosión. Además, requiere que exista un fondo de radiación de microondas, una luz que llenaría todo el universo y tendría unas características muy concretas. Las observaciones han confirmado de manera espectacular ambas predicciones, y eso ha hecho que la teoría de la gran explosión se convierta en el modelo cosmológico estándar.

En la década de 1970 se descubrió que, a grandes distancias del centro de las galaxias espirales, las estrellas se mueven mucho más deprisa de lo esperado. Para poder explicar este hecho, lo más sencillo es suponer que las galaxias contienen una gran cantidad de materia «oscura» que, por alguna razón, no somos capaces de ver. Posteriormente, otras observaciones han confirmado que en el universo hay unas cinco o seis veces más materia oscura que normal. Discutiremos en detalle una de estas observaciones, la de las anisotropías del fondo de radiación de microondas (pequeñas diferencias de temperatura en la luz que nos llega desde distintas regiones del cielo), que nos proporciona una «fotografía» de cuando el universo tenía tan solo 380.000 años.

Pero ¿de qué está hecha la materia oscura? Algunas posibles explicaciones ya han sido descartadas, por ejemplo, la idea de los MACHO, según la cual la materia oscura estaría formada por objetos celestes tenues. Sin embargo, otros candidatos siguen siendo plausibles y se está tratando de encontrarlos. Entre ellos podemos destacar las WIMP (partículas masivas que interaccionan débilmente), los axiones, los neutrinos estériles o los agujeros negros primordiales. Finalmente, algunos autores defienden que las observaciones pueden explicarse sin necesidad de introducir una nueva sustancia si se modifican las ecuaciones de la gravedad de una manera adecuada.

En 1998 llegó otra sorpresa: resulta que el universo no solo se está expandiendo, sino que lo hace cada vez más deprisa. Se llegó a esta conclusión a partir del estudio de una cierta clase de explosiones estelares llamadas supernovas de tipo Ia. La manera más sencilla de conseguir una expansión acelerada es introducir una constante cosmológica en las ecuaciones de la relatividad general, algo que curiosamente ya había propuesto (y posteriormente descartado) Einstein en su día, por motivos muy distintos. Además, desdeun punto de vista teórico, uno espera que exista una constante cosmológica, debido a la energía que, según la mecánica cuántica,posee el espacio vacío.

Sin embargo, la teoría predice que el valor de la constante cosmológica debería ser muchísimo mayor que el medido. Esto ha provocado que muchos investigadores busquen otras opciones, como los campos escalares de quintaesencia, para explicar la expansión acelerada del universo y que la sustancia (sea lo que sea) que la produce pase a ser conocida con el nombre genérico de energía oscura. La naturaleza de esta energía oscura, que constituye el 70 % del contenido energético del universo, determinará el destino último del cosmos… aunque ninguna de las posibilidades es muy halagüeña.

Más allá de la materia y energía oscuras, en el cosmos existen muchos objetos celestes tenues que casi no emiten radiación y, por tanto, resultan muy difíciles de observar. Algunos de ellos son inmensos, como las nubes de gas y polvo donde se forman las estrellas. En ocasiones, el proceso de formación estelar no culmina con éxito: la estrella incipiente no logra acumular suficiente masa como para desencadenar las reacciones de fusión nuclear y se convierte en una enana marrón, una estrella fallida que se va enfriando poco a poco. Las enanas marrones constituyen el «eslabón perdido» entre estrellas y planetas, lo que hace que los astrónomos estén muy interesados en ellas.

También son oscuros los objetos compactos que se forman cuando las estrellas agotan su combustible nuclear. Entre ellos están las enanas blancas, que pueden dar lugar al tipo de supernovas que sirvieron para descubrir la existencia de la energía oscura. También las estrellas de neutrones, objetos de una densidad increíble y que pueden emitir haces de radiación que recorren el cielo como la luz de un faro. Y los agujeros negros, con una gravedad tan intensa que nada, ni siquiera la luz, puede escapar de ellos.

Ahora sabemos que existen multitud de planetas girando en torno a otras estrellas. Especial interés despiertan los que son potencialmente habitables, es decir, aquellos que presentan condiciones compatibles con la vida tal y como la conocemos. En general, consideramos que un planeta es habitable si se parece a la Tierra y puede tener agua líquida en su superficie (para lo cual no debe estar ni muy cerca ni muy lejos de su estrella), pero hay otros factores importantes a tener en cuenta: por ejemplo, que tenga una atmósfera o que posea los elementos químicos esenciales para la vida. Ya por último, veremos cómo hay multitud de objetos oscuros más pequeños flotando en las afueras de nuestro propio sistema solar.

Recientemente se han observado varios tipos de colisiones cósmicas que aportan información sobre el lado oscuro del universo. Los choques entre cúmulos de galaxias parecen aportar la prueba definitiva de la existencia de la materia oscura, poniendo en serios aprietos a las teorías que optan por modificar la gravedad en lugar de introducir una nueva sustancia. Por su parte, las fusiones de agujeros negros y estrellas de neutrones han servido para detectar las ondas gravitacionales, unas perturbaciones del espacio-tiempo que suponen una nueva confirmación de la teoría de la relatividad general.

Para terminar, repasaremos algunos de los experimentos más importantes que tratan de detectar la materia oscura, la energía oscura y el resto de objetos oscuros del cosmos. Por ejemplo, hay tres maneras distintas de buscar WIMP: en las búsquedas directas se intenta observar la interacción de alguna de estas partículas con los núcleos de un material detector; las indirectas rastrean las partículas de materia ordinaria que se generarían si dos WIMP se aniquilasen en el espacio; finalmente, también se intenta producir materia oscura en los grandes aceleradores, a partir de choques muy energéticos de partículas ordinarias. Por supuesto, la materia oscura podría estar formada por otro tipo de partículas que requieran métodos de detección diferentes. Así, para buscar los axiones se utiliza el hecho de que pueden convertirse en fotones (partículas de luz) al atravesar campos magnéticos intensos.

Estamos viviendo una época dorada en la exploración del cosmos: hay muchos misterios que desvelar y disponemos de los medios para hacerlo. Es muy posible que de aquí a pocos años se produzca algún gran descubrimiento que revolucione nuestras teorías y nos permita entender mejor de qué está hecho el universo.