Reflexiones: Energía y Materia Oscura

Roberto Mercher

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¿Qué son la Energía y Materia Oscuras?

La Energía y Materia Oscura son quizás los dos problemas más grandes por resolver que actualmente tienen la Física y la Cosmología. Aun cuando se conocen sus efectos, no se tiene una idea clara de cuál es su origen y su naturaleza y aunque han surgido varias teorías que tratan de explicarlo, a la fecha no hay un consenso entre los expertos en la aceptación de alguna de ellas. En este artículo plantearé algunos puntos sobre lo que se sabe y lo que no se sabe sobre estás dos incógnitas y algunos planteamientos que han surgido desde su aparición.

La Materia Oscura

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Los primeros indicios de su existencia datan de los inicios de la década de los 30 del siglo pasado, cuando el astrofísico búlgaro Fritz Zwicky  observó que la cantidad de materia visible en el cúmulo “Coma Berenices” no era suficiente para mantenerlo unido, por lo que debía haber una gran cantidad de “materia faltante” que proveyera la suficiente masa y gravedad para que esto ocurriera. Esta observación quedó prácticamente olvidada hasta finales de los años 70, cuando un trabajo de investigación de la astrónoma Vera Cooper Rubin indicó que las galaxias para comportarse como lo hacen requieren de una cantidad mucho mayor de masa que la observada. Según lo observado por la astrónoma Vera Cooper, las estrellas lejanas al centro de las galaxias rotan a la misma velocidad que las estrellas cercanas, mientras que lo esperado, según los cálculos, es que lo hagan más lento.

Se piensa que la materia oscura es una especie de semilla alrededor de la cual se van concentrando los gases y el polvo cósmico que finalmente forman las galaxias, por lo que se considera un ingrediente fundamental en la estructura del universo. Sin embargo, los resultados de un estudio publicado  en marzo del 2018 por un equipo liderado por Pieter van Dokkum, de la Universidad de Yale (Estados Unidos), reporta que en una galaxia difusa (que emite poca luz) ubicada en la constelación de Cetus, la cual es del mismo tamaño de nuestra Vía Láctea, apenas se detecta en ella materia oscura, contrario a lo que ocurre en la Vía Láctea. Este hallazgo hará que muchos astrónomos alrededor del mundo comiencen a buscar este nuevo tipo de galaxias, las cuales contradicen la suposición que se tenía al respecto.

Según los cálculos que se tienen hasta ahora del inventario de materia y energía de todo el universo, la materia oscura constituye alrededor del 25% de ese gran total y la materia visible solo un 5%, lo que significa que más del 80% de la materia del universo es invisible a nuestra vista y a nuestros instrumentos y aun no se sabe que es. El otro 70% que falta para completar el 100% del inventario sería la energía oscura, de la cual trataré más adelante.

A la fecha lo que se sabe sobre la materia oscura es que interactúa gravitacionalmente con la materia visible, que no absorbe ni emite luz y que pareciera no interactuar con otras partículas de una manera distinta a la gravedad. También se ha observado que su densidad fluctúa creciendo con el tiempo, con zonas más densas debido a su atracción gravitatoria,  así como también se ha visto la manera como se distribuye en las galaxias hasta formar un halo alrededor de ellas.

Aun cuando no se sabe que la constituye, hay cierto consenso en que la materia oscura estaría formada por partículas fundamentales como los quarks que conforman los átomos, a las cuales se les ha denominado partículas WIMP, por las siglas en ingles de “partículas masivas que interactúan débilmente”. Según estas características ya hay varias partículas teóricas que se buscan a través de métodos directos e indirectos que permitan su detección, pero hasta ahora no se ha logrado detectar ninguna.

Una alternativa que prescindiría de la materia oscura para explicar el comportamiento de las galaxias sería la planteada por el físico israelita Mordehai Milgrom, quien propone que la teoría newtoniana de la gravedad debería modificarse para aceleraciones pequeñas y que la física de Newton es solo una buena aproximación para aceleraciones mucho mayores. Esta idea planteada a principios de los años 80 no ha tenido acogida en la comunidad científica.  Uno de los problemas serios de esta teoría es su incompatibilidad con la teoría general de la relatividad en el llamado “principio de equivalencia fuerte”, el cual enuncia que la masa inercial y la masa gravitacional de un objeto son exactamente iguales, lo cual no sería compatible con la propuesta de Milgrom.

Por ahora seguimos a la espera de nuevos hallazgos que nos ayuden a comprender el origen y la naturaleza de esta misteriosa materia oscura.

La energía oscura

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Como ya se dijo antes, la energía oscura constituye alrededor del 70% del universo y al igual que con la materia oscura, su origen y su naturaleza siguen siendo un enigma. Su existencia fue postulada a finales de la década de los 90 para poder explicar la expansión acelerada que se observa actualmente en el universo, la cual no tiene ningún fundamento en las teorías actuales de la física.

Según la predicción de las teorías vigentes, la expansión del universo que comenzó después del Big Bang se volvería más lenta con el tiempo debido a la gravedad, pero gracias a los estudios de astrónomo Edwin Hubble  en la década de los 30 se sabe que el universo está en expansión y a finales de la década de los 90 se confirmó que dicha expansión se está acelerando, descubrimiento que hizo merecedor del premio Nobel del 2011  a los  investigadores Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt y Adam G. Riess.

De acuerdo con la teoría general de la relatividad la expansión acelerada no sería posible en un universo que solo contuviera materia. Que esto ocurra indica la existencia de algún componente o tipo de energía con presión negativa que contrarresta la atracción de la gravedad. Este componente desconocido es la llamada energía oscura.

Ahora bien, además de lo ya mencionado, ¿qué más se sabe hasta ahora sobre esta misteriosa energía?:

  • Según los estudios, hace unos 4.000 millones de años la expansión del universo comenzó a acelerarse. En ese momento esta energía comenzó a dominar sobre la materia, contrarrestando así la atracción gravitatoria que esta genera.
  • Su distribución en el espacio parece ser uniforme, al contrario de la energía oscura que se concentra en las zonas donde existe materia visible.
  • Su densidad es menor y más uniforme que la de la materia oscura.
  • Su existencia es compatible con el modelo cosmológico actual, en el cual la energía oscura correspondería con la “energía del vacío”, que es una energía muy pequeña de origen cuántico intrínseca al espacio mismo, aun en ausencia de materia.
  • No se ha detectado su interacción con ninguna de las fuerzas fundamentales más que con la gravedad.

A la fecha la naturaleza de la energía oscura continua siendo un misterio, sin embargo, actualmente los astrónomos cuentan con un  “Instrumento Espectroscópico de la Energía Oscura (DESI, por siglas en inglés)”  con el cual se espera observar y cartografiar unos 35 millones de galaxias en cinco años, lo que permitirá reconstruir con precisión la expansión y formación del universo a lo largo de 11.000 millones de años. Con esta información se podrán caracterizar las propiedades de la energía oscura con una gran precisión, así como también distinguir entre los dos posibles escenarios que se tienen para explicar el origen de la expansión del universo: La existencia de la energía oscura o la necesidad de modificar la teoría general de la relatividad.

Conclusión y Reflexión final

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Definitivamente el universo todavía guarda grandes secretos que escapan a nuestro nivel actual de conocimientos. Enigmas como la materia y la energía oscura me traen al recuerdo la famosa frase “Yo solo sé que no sé nada”.

En diferentes creencias religiosas o espirituales es común oír que somos partes de un todo interconectado de “alguna manera”. En la propia Física durante un tiempo se creyó en la existencia de un “Éter” cósmico para explicar la transmisión de la luz en el vacío y en la actualidad la Física Cuántica habla del “entrelazamiento cuántico”, fenómeno mediante el cual la acción sobre una partícula entrelazada con otra generará una reacción en la otra, independientemente de la distancia a la que se encuentren ambas partículas. En ese mismo sentido se tiene el concepto de la “energía del vacío” existente en el “vacío cuántico”, en el cual se presume la existencia de múltiples partículas subatómicas que aparecen y desaparecen “instantáneamente”. Todas estas creencias, ideas y suposiciones inducen a pensar que efectivamente hay algo en esos espacios que creíamos vacíos que por ahora es lo que llamamos materia y energía oscura.

Sin embargo, no podemos descartar que nuestras teorías actuales estén erradas, tal como ha ocurrido antes con otras teorías. Tal vez la física del Creador es diferente a la que nosotros estamos utilizando. Quizás nos estamos aferrando a paradigmas científicos que nos han sido útiles hasta ahora y no vemos que llegó el momento de construir una “nueva Física”. Como leí hace poco en un artículo, «quizás lo oscuro no sea la materia ni la energía que estamos buscando, sino la Física que estamos utilizando».

Para concluir, quiero compartir dos frases del Físico Alemán Max Planck, considerado por muchos como el padre de la Física Cuántica, en las cuales se percibe su humildad y su creencia en conocimientos más allá del alcance de la ciencia:

“Toda la materia tiene su origen y existe en virtud de una fuerza…Debemos asumir la existencia de una Mente inteligente y consciente tras esa fuerza. Esta mente es la matriz de toda la materia”

“La ciencia no puede resolver el misterio fundamental de la naturaleza. Y esto es así porque, en el análisis final, nosotros mismos somos…parte del misterio que estamos intentando resolver”.

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Referencias

https://es.wikipedia.org/wiki/Fritz_Zwicky

https://es.wikipedia.org/wiki/Vera_Rubin

https://www.nature.com/articles/nature25767

https://en.wikipedia.org/wiki/Mordehai_Milgrom

https://es.wikipedia.org/wiki/Edwin_Hubble

https://www.agenciasinc.es/Noticias/Nobel-de-Fisica-2011-para-el-descubrimiento-de-la-expansion-acelerada-del-universo

https://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_del_vac%C3%ADo

https://www.bbc.com/mundo/noticias-50391187

http://www.scielo.org.mx/pdf/rmfe/v54n2/v54n2a12.pdf

https://workshops.ift.uam-csic.es/files/181/uranga-cosmo-CSIC2.pdf

http://www.scielo.org.co/pdf/cide/v7n1/v7n1a09.pdf

https://www.xlsemanal.com/conocer/ciencia/20180422/universo-que-es-materia-oscura-espacio-big-bang.html

https://hermandadblanca.org/madre-divina-los-agujeros-negros-y-la-materia-oscura/

https://hermandadblanca.org/el-misterio-de-las-energias/

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