RADIO KOSMOS CHILE

11/17/2014



Naturaleza del universo

Lo que sabemos de sus dos componentes mayoritarios.


Por Jeremiah P. Ostriker y Simon Mitton. Princeton University Press; Princeton, 2013.

Las primeras inquisiciones racionales del hombre versaron sobre la naturaleza del mundo entorno. Una inquietud que le acompañó a lo largo de la historia y jalona las etapas principales del curso de la ciencia. Nacieron y se desarrollaron modelos cosmológicos, que fueron sustituidos por otros más exactos merced a la introducción de nuevos conceptos físicos y la ayuda de una instrumentación perfeccionada. A lo largo de los últimos 30 años, hemos llegado a conocer que dos componentes, materia oscura y energía oscura, tienen la llave del destino del universo. Merecen reseñarse, en particular, las pruebas que avalan el modelo «materia oscura fría lambda», que se expone aquí por Simon Mitton y Jeremiah Ostriker, pionero este del campo abordado. Cumplen en su exposición la triple exigencia de toda descripción genuina de la ciencia astrofísica: aplicación de la medición directa y observación, introducción de la modelización matemática y contrastación de las hipótesis formuladas.

Lo invisible gobierna aquí lo invisible, mientras que lo infinitésimo determina lo cósmico. No es un galimatías pseudopoético, sino rigurosa inferencia lógica. Miremos a nuestro alrededor. Vemos paredes, mesas, sillas. Todo está hecho de átomos y moléculas, protones, neutrones y electrones, como las alcachofas, los ratones o el planeta Marte. Si todo ello consta de los mismos factores, cabría deducir que el resto del universo esté construido con idéntica argamasa. No opinan así los astrónomos. Atribuyen nada menos que el 95 por ciento del cosmos a dos tipos diferentes de material extraño. Uno, la materia oscura, posee masa; su gravedad ayuda a que el universo se mantenga junto. El otro, la energía oscura, impulsa la expansión del universo. Las galaxias forman cúmulos allí donde la densidad de materia oscura es mayor. Aunque escapa a la observación, la gravedad de una masa de materia oscura curva la luz procedente de galaxias lejanas en un proceso denominado de lente débil. Merced a ello pudo realizarse un análisis estadístico de decenas de miles de galaxias que revelan la distribución de materia oscura.

La cosmología, estudio de la naturaleza, formación y evolución del universo, ha experimentado una transformación radical desde los años sesenta. Se partía de dos modelos vigorosos y enfrentados: la teoría de la gran explosión (big bang) y la teoría del estado estacionario del universo. Escaseaban datos y pruebas contundentes que pudieran inclinar la balanza. Mas las observaciones realizadas a lo largo de estos decenios han confirmado ampliamente el primer modelo, con unos telescopios que se ha convertido en máquinas del tiempo que nos permiten inferir el pasado del cosmos. Cuando el telescopio espacial Hubble nos introduce en un rincón del universo alejado de nosotros siete mil millones de años luz, contemplamos el mundo tal como era hace 7000 millones de años, la mitad de lo que se supone es la edad del universo. En consecuencia, podemos ver y medir las diferencias entre entonces y ahora, cartografiar la evolución del universo. Por su parte, los radiotelescopios nos revelan el camino hasta el momento en que los fotones emergieron de la sopa primordial que los mantuvo aprisionados durante los primeros 300.000 años desde la singularidad de la gran explosión; con ello se nos ofrece una visión de la radiación residual. Podemos, por tanto, ver y medir directamente las tenues fluctuaciones primordiales, que crecen a través de la acción de la gravedad para convertirse en el mundo variopinto de las galaxias, estrellas y planetas.

No hemos encontrado todavía pruebas directas de materia oscura ni de energía oscura en laboratorios terrestres. Sin embargo, los indicios sobre su predominio aumentan por días. La materia oscura se descubrió, en los años 30 del siglo pasado, en los supercúmulos de galaxias, las mayores estructuras autogravitatorias del universo. Se supuso que residiría en el espacio intergaláctico. Luego, en los setenta, se la situó en los aledaños de galaxias normales, rodeándolas, a modo de halos. Los primeros cálculos sistemáticos revelaron que la propia concentración cósmica de materia oscura podía explicar no solo esos fenómenos observados, sino también, más fundamentalmente, la formación de galaxias y cúmulos. En los años noventa se descubrió la cuantía de materia y gravedad consiguiente necesarias para causar el desarrollo de estructuras.

Los grandes telescopios ópticos nos han suministrado imágenes brillantes y distorsionadas de objetos extremadamente alejados, imágenes que pudieran interpretarse como causadas por la intervención de masas de materia que actúan a modo de lentes gravitatorias, amplificando la imagen de objetos mucho más lejanos, un efecto predicho por Einstein. Las fuerzas gravitatorias que emergen de la materia oscura instan la concentración de materia ordinaria en galaxias. Pero ahora se sabe que los componentes químicos ordinarios de planetas y estrellas, el material que emite y absorbe luz, constituyen el cuatro por ciento del total: la guinda del pastel. Pero el pastel consta de materia oscura, energía oscura y radiación electromagnética, siendo la energía oscura la levadura que hincha el pastel, por seguir con la metáfora.

¿En qué consiste la materia oscura? ¿Existe en realidad necesariamente en su existencia o se trata simplemente de un recurso de la ciencia para cuadrar determinada interpretación del universo? Desde el punto de vista cronológico, la historia empieza con Fritz Zwicky, astrónomo nacido en Varna (Bulgaria), que se educó en el Instituto Federal Suizo de Tecnología y se trasladó al Caltech norteamericano en 1925. Trabajó la mayor parte de su vida en los observatorios Monte Wilson y Monte Palomar. Fue el descubridor de la materia oscura, llamándole así (dunkle Materie) en 1937, en un artículo donde analizaba la dinámica de los cúmulos de galaxias.

Pasaron decenios hasta que los físicos se percataran del alcance de tal descubrimiento. A grandes rasgos, Zwicky halló, marcó y catalogó cúmulos gigantes de galaxias y se esforzó por entender qué es lo que podía mantener juntas semejantes macroestruturas. En esos cúmulos, las galaxias desarrollan unas velocidades celerísimas, del orden de 1000 kilómetros por segundo. Pese a lo cual, ni salían despedidas ni se dispersaban por el medio. Sin duda, había alguna fuerza que mantenía íntegros los cúmulos. El candidato obvio para esa fuerza era la de la gravedad, merced a la cual nuestro satélite sigue su órbita alrededor de la Tierra. Ahora bien, para que la gravedad adquiera una intensidad suficiente que logre sostener la cohesión de los cúmulos gigantes, debían poseer una masa mucho mayor que la que se ponía de manifiesto con el número de galaxias observadas, concediendo a cada galaxia la masa normalmente admitida.

La fuerza de la gravedad es proporcional a la cantidad de masa. Si suponemos que la estrella promedio hallada en estos sistemas tenía la masa de nuestro Sol, entonces la fuerza gravitatoria local sería deficiente al menos en un factor de 100 para ejecutar la tarea de mantener unidos los cúmulos galácticos. De ese modo, Zwicky postulaba que debía haber algo más en los cúmulos, a saber, materia oscura, que aportara la masa extra y fuera la responsable de que las galaxias no salieran despedidas fuera de los cúmulos.

En 1937 Horace Babcock, del observatorio Lick, se valió de un nuevo espectrógrafo que acababa de diseñar Nicholas Mayall que permitía investigar el tenue brillo superficial de regiones de las galaxias, para obtener la curva de rotación de Andrómeda, nuestra galaxia vecina; no solo en sus regiones centrales, sino también en las muy alejadas del centro. Babcock descubrió un fenómeno inesperado. A diferencia de lo que ocurre en nuestro sistema solar, la velocidad de rotación de la galaxia no decaía con el incremento del radio, sino que persistía constante. Incluso parecía aumentar en las zonas exteriores, oscuras, de Andrómeda. De ese modo, el primer empeño serio en determinar la distribución de masa del interior de una galaxia aportaba ya una prueba sólida de la existencia de materia oscura. Ese trabajo de Babcock, junto con el análisis de Zwicky, constituyeron los principales hallazgos relativos a la materia oscura que se realizaron decenios antes de que su existencia recibiera una aceptación mayoritaria.

Lo que acontece en los setenta. En su redescubrimiento tuvo activa participación uno de los autores de la obra (Ostriker), junto con Jim Peebles y Amos Yahil, que redactaron un artículo en 1974 de título explícito: The size and mass of galaxies, and the mass of the universe, donde revisaban lo conocido sobre curvas de rotación de zonas alejadas del centro de las galaxias; todas ellas indicaban que la masa de cada uno de esos sistemas parecía aumentar en las partes exteriores a una ritmo proporcional al tamaño de la religión estudiada. Otra forma de expresar esos resultados peculiares era atender a la razón entre la luz emitida por una galaxia y la masa.

A finales de los setenta y comienzos de los ochenta las pruebas más convincentes sobre la materia oscura las recabaron Vera Rubin, Kent Ford y sus colaboradores. Este grupo hizo uso de una nueva técnica electrónica que permitía medir velocidades de zonas más alejadas del centro galáctico que ninguno de los métodos empleados hasta entonces. Hay hoy muchas más pruebas sobre la presencia de materia oscura; por ejemplo, el mencionado efecto de las lentes gravitatorias.

La expresión «energía oscura» fue acuñada por Michael Turner en 1998; designa cualquier material capaz de dar cuenta de la aceleración del universo observada. No se trata de una denominación acertada por su exactitud, habida cuenta de que la nota distintiva de la energía oscura no es su energía, sino su contribución como presión negativa. La energía oscura no tiene contrapartida en la Tierra. Se trata de una fuerza muy débil que, a diferencia del resto, adquiere mayor intensidad con la distancia. La evolución del universo en expansión, así como el desarrollo de estructuras en su interior, guardan relación con la intensidad del campo gravitatorio y con la energía potencial que contiene. En el modelo de universo avanzado por Einstein, en los primeros decenios del siglo XX, con la constante cosmológica, existe un equilibrio exacto de fuerzas, donde la constante cosmológica, que insta el alejamiento de las galaxias, se ajusta con la gravedad, que las atrae. Imaginemos ahora que al alejarlas ligeramente, la gravedad se torna más débil (puesto que opera inversamente con el cuadrado de la distancia), pero la fuerza que insta su alejamiento se torna más fuerte (puesto que la nueva fuerza aumenta con la separación).

De acuerdo con el modelo cosmológico estándar, la forma más abundante de materia en el universo presente es la energía oscura. El componente menos conocido, también. Se la supone responsable de la aceleración del universo. Existen muchas líneas de prueba, recabadas con la batería de nuevos telescopios e instrumentación refinada (detectores electrónicos, radioastronomía y astronomía de rayos X), que contribuyeron a la ampliación del horizonte físico para los observadores, así como a la apertura de zonas invisibles del espectro electromagnético.
o? Desde el punto de vista cronológico, la historia empieza con Fritz Zwicky, astrónomo nacido en Varna (Bulgaria), que se educó en el Instituto Federal Suizo de Tecnología y se trasladó al Caltech norteamericano en 1925. Trabajó la mayor parte de su vida en los observatorios Monte Wilson y Monte Palomar. Fue el descubridor de la materia oscura, llamándole así (dunkle Materie) en 1937, en un artículo donde analizaba la dinámica de los cúmulos de galaxias.

Pasaron decenios hasta que los físicos se percataran del alcance de tal descubrimiento. A grandes rasgos, Zwicky halló, marcó y catalogó cúmulos gigantes de galaxias y se esforzó por entender qué es lo que podía mantener juntas semejantes macroestruturas. En esos cúmulos, las galaxias desarrollan unas velocidades celerísimas, del orden de 1000 kilómetros por segundo. Pese a lo cual, ni salían despedidas ni se dispersaban por el medio. Sin duda, había alguna fuerza que mantenía íntegros los cúmulos. El candidato obvio para esa fuerza era la de la gravedad, merced a la cual nuestro satélite sigue su órbita alrededor de la Tierra. Ahora bien, para que la gravedad adquiera una intensidad suficiente que logre sostener la cohesión de los cúmulos gigantes, debían poseer una masa mucho mayor que la que se ponía de manifiesto con el número de galaxias observadas, concediendo a cada galaxia la masa normalmente admitida.

La fuerza de la gravedad es proporcional a la cantidad de masa. Si suponemos que la estrella promedio hallada en estos sistemas tenía la masa de nuestro Sol, entonces la fuerza gravitatoria local sería deficiente al menos en un factor de 100 para ejecutar la tarea de mantener unidos los cúmulos galácticos. De ese modo, Zwicky postulaba que debía haber algo más en los cúmulos, a saber, materia oscura, que aportara la masa extra y fuera la responsable de que las galaxias no salieran despedidas fuera de los cúmulos.

En 1937 Horace Babcock, del observatorio Lick, se valió de un nuevo espectrógrafo que acababa de diseñar Nicholas Mayall que permitía investigar el tenue brillo superficial de regiones de las galaxias, para obtener la curva de rotación de Andrómeda, nuestra galaxia vecina; no solo en sus regiones centrales, sino también en las muy alejadas del centro. Babcock descubrió un fenómeno inesperado. A diferencia de lo que ocurre en nuestro sistema solar, la velocidad de rotación de la galaxia no decaía con el incremento del radio, sino que persistía constante. Incluso parecía aumentar en las zonas exteriores, oscuras, de Andrómeda. De ese modo, el primer empeño serio en determinar la distribución de masa del interior de una galaxia aportaba ya una prueba sólida de la existencia de materia oscura. Ese trabajo de Babcock, junto con el análisis de Zwicky, constituyeron los principales hallazgos relativos a la materia oscura que se realizaron decenios antes de que su existencia recibiera una aceptación mayoritaria.

Lo que acontece en los setenta. En su redescubrimiento tuvo activa participación uno de los autores de la obra (Ostriker), junto con Jim Peebles y Amos Yahil, que redactaron un artículo en 1974 de título explícito: The size and mass of galaxies, and the mass of the universe, donde revisaban lo conocido sobre curvas de rotación de zonas alejadas del centro de las galaxias; todas ellas indicaban que la masa de cada uno de esos sistemas parecía aumentar en las partes exteriores a una ritmo proporcional al tamaño de la religión estudiada. Otra forma de expresar esos resultados peculiares era atender a la razón entre la luz emitida por una galaxia y la masa.

A finales de los setenta y comienzos de los ochenta las pruebas más convincentes sobre la materia oscura las recabaron Vera Rubin, Kent Ford y sus colaboradores. Este grupo hizo uso de una nueva técnica electrónica que permitía medir velocidades de zonas más alejadas del centro galáctico que ninguno de los métodos empleados hasta entonces. Hay hoy muchas más pruebas sobre la presencia de materia oscura; por ejemplo, el mencionado efecto de las lentes gravitatorias.

La expresión «energía oscura» fue acuñada por Michael Turner en 1998; designa cualquier material capaz de dar cuenta de la aceleración del universo observada. No se trata de una denominación acertada por su exactitud, habida cuenta de que la nota distintiva de la energía oscura no es su energía, sino su contribución como presión negativa. La energía oscura no tiene contrapartida en la Tierra. Se trata de una fuerza muy débil que, a diferencia del resto, adquiere mayor intensidad con la distancia. La evolución del universo en expansión, así como el desarrollo de estructuras en su interior, guardan relación con la intensidad del campo gravitatorio y con la energía potencial que contiene. En el modelo de universo avanzado por Einstein, en los primeros decenios del siglo XX, con la constante cosmológica, existe un equilibrio exacto de fuerzas, donde la constante cosmológica, que insta el alejamiento de las galaxias, se ajusta con la gravedad, que las atrae. Imaginemos ahora que al alejarlas ligeramente, la gravedad se torna más débil (puesto que opera inversamente con el cuadrado de la distancia), pero la fuerza que insta su alejamiento se torna más fuerte (puesto que la nueva fuerza aumenta con la separación).

De acuerdo con el modelo cosmológico estándar, la forma más abundante de materia en el universo presente es la energía oscura. El componente menos conocido, también. Se la supone responsable de la aceleración del universo. Existen muchas líneas de prueba, recabadas con la batería de nuevos telescopios e instrumentación refinada (detectores electrónicos, radioastronomía y astronomía de rayos X), que contribuyeron a la ampliación del horizonte físico para los observadores, así como a la apertura de zonas invisibles del espectro electromagnético.

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