Ciencia para llevar Ciencia para llevar

CURIOSIDADES CIENTÍFICAS PARA COMPARTIR

Entradas etiquetadas como ‘materia oscura’

El universo y lo que el ojo humano no ve… o sea, casi todo

Por Enrique Pérez Montero (CSIC)*

¿Qué hace una persona ciega estudiando el universo? Además de investigador en el Instituto de Astrofísica de Andalucía del CSIC, soy invidente. Tengo una enfermedad degenerativa de la retina llamada retinosis pigmentaria por la que he ido perdiendo visión, lo que hizo que me afiliara a la ONCE hace ya seis años. Quizá algunos piensen que esta limitación física me impide llevar a cabo mi profesión, pues podría parecer que el sentido de la vista es importante para percibir el universo, pero la realidad es que todos estamos casi igual de ciegos a lo que éste contiene. Eso es algo que hemos descubierto en el último siglo, en el que han aparecido telescopios cada vez mayores, cámaras fotográficas capaces de capturar imágenes imperceptibles a simple vista, detectores sensibles a la luz que el ojo humano no puede ver porque se encuentra en otras frecuencias distintas de la luz visible, como las ondas de radio o los rayos X. Todo ello ha hecho que hayamos descubierto cosas increíbles que hasta hace no tanto ni siquiera éramos capaces de imaginar.

Incluso el ser humano ha puesto en órbita sondas espaciales que pueden visitar otros planetas y satélites de nuestro sistema solar. También hemos lanzado al espacio observatorios que recopilan la luz que no puede atravesar la atmósfera terrestre.

Muchas de las cosas que sabemos del universo las conocemos porque hemos diseñado ojos artificiales que miran más allá de lo que nuestros ojos pueden llegar a ver. No obstante, el universo tiene muchas otras cosas que, ni siquiera con los últimos adelantos técnicos ni los más sensibles telescopios o detectores, podemos observar aún. Os voy a poner cinco ejemplos.

Asteroides. Nuestro sistema solar está plagado de innumerables cuerpos rocosos que son vestigio de la época en que una parte de la nube gaseosa que formó todo el sistema se condensó en pequeños fragmentos orbitando alrededor del Sol. Muchos de ellos se agruparon en objetos cada vez mayores que dieron lugar a los planetas y sus satélites, pero otros muchos siguen sueltos y, de vez en cuando, acaban colisionando contra los otros cuerpos mayores. Desde la Tierra los buscamos y los seguimos, pero la mayoría de los cuerpos más pequeños, de hasta 100 metros de diámetro, son aún una amenaza invisible para nosotros. El mayor riesgo lo constituyen aquellos que no reflejan la luz del sol hasta que no están muy cerca de nosotros para ser detectados, bien por su debilidad o bien por su posición. El uso de un telescopio infrarrojo situado en una órbita interior podría resolver en parte la escasez de recursos para hacer un censo más completo de estos cuerpos pero, mientras esto sucede, seguimos viajando alrededor del Sol entre un auténtico enjambre de estos bólidos.

Exoplanetas. Vivimos una etapa revolucionaria de la historia de la astronomía, ya que se ha roto una de las barreras observacionales más complicadas: la detección de planetas fuera de nuestro sistema solar. El telescopio espacial Kepler ya ha catalogado más de 2.000 y algunos de ellos tienen un tamaño similar al de nuestra Tierra, y podrían albergar vida. De todas maneras, no busquéis muchas imágenes de ellos porque nos las vais a encontrar. Los planetas extrasolares se detectan por la variación en el brillo de las estrellas o en el movimiento de éstas cuando los planetas pasan por delante de ellas. Habrá que esperar a las nuevas generaciones de telescopios gigantes que se construirán en la próxima década para poder verlos directamente.

Agujeros negros. Son uno de los misterios más grandes de la naturaleza. Según la teoría de la relatividad general de Albert Einstein, acumulan tanta masa en un volumen tan reducido que curvan el espacio y el tiempo de tal modo que ni siquiera la luz puede escapar de ellos porque el tiempo está congelado en su superficie. Se han podido detectar por la radiación que emite el gas antes de caer en ellos o por el movimiento peculiar de las estrellas que pasan cerca, pero no se sabe qué leyes físicas gobiernan lo que ocurre en su interior. Una manera prometedora de estudiarlos son las ondas gravitacionales, detectadas el año pasado en un observatorio especial llamado LIGO que mide las oscilaciones del espacio-tiempo que se propagan cuando una gran masa es acelerada. La sensibilidad de estos observatorios tiene que mejorar mucho aún, pero han abierto la puerta para poder mirar dentro de estos ‘monstruos’.

Recreación de las órbitas estelares alrededor de SgrA*, un candidato a agujero negro supermasivo en el centro de nuestra galaxia (Crédito: ESO).

Recreación de las órbitas estelares alrededor de SgrA*, un candidato a agujero negro supermasivo en el centro de nuestra galaxia./ ESO

Materia oscura. Su existencia solo es conocida porque es necesaria su presencia para explicar los movimientos de las estrellas en las galaxias y de las galaxias en los cúmulos de galaxias. También es imprescindible para entender cómo se curva la luz cuando viene propagándose desde las primeras etapas del universo y tiene que atravesar grandes distribuciones de masa. Al no interaccionar con la luz de ninguna otra manera no puede ser observada directamente, pero se calcula que es cuatro veces más abundante que todos los otros tipos de materia que conocemos y compone todo lo que podemos percibir. Todos los intentos realizados hasta ahora para descubrir de qué se trata han sido infructuosos y aún se desconoce por completo su naturaleza.

Mapa 3D de la Materia Oscura a través del análisis de datos del Hubble Space Telescope (Crédito: ESA; Richard Massey)

Mapa 3D de la materia oscura a través del análisis de datos del Hubble Space Telescope./ ESA; Richard Massey

Energía oscura. Para finalizar hablaré de la energía más misteriosa y, al mismo tiempo, la más abundante. Se estima que la energía oscura compone más del 70% del total de masa y energía del universo. Teniendo en cuenta que la mayoría del resto de masa es materia oscura, esto deja en apenas un 5% la cantidad relativa de la materia que conocemos. La energía oscura es de nuevo un requerimiento teórico para explicar por qué el universo está acelerando su movimiento de expansión después del Big Bang. Si no existiera, las galaxias irían frenando su movimiento de expansión y acabarían atrayéndose unas a otras hasta volver a unirse en una única singularidad. Sin embargo esto no ocurre así, lo que ha hecho postular a los teóricos la existencia de una fuerza repulsiva a gran distancia que haría que el universo siga expandiéndose sin fin.

La mayoría de todo lo que hay en el espacio, desde las más pequeñas escalas cerca de nuestro planeta hasta las más grandes, que dominan el movimiento de todo el espacio, está repleto de objetos desconocidos y aún por descubrir. Posiblemente acabemos conociendo lo que son con ayuda de nuestros ojos mejorados y nuestras mentes despiertas.

* Enrique Pérez Montero es investigador del CSIC en el Instituto de Astrofísica de Andalucía y fundador del proyecto Astronomía accesible.

 

El origen del universo: las tres grandes evidencias del Big Bang

AutorPor Alberto Fernández Soto (CSIC)*

Todo cambia: nosotros, otros seres vivos, la geografía de nuestro planeta, etc. El universo también evoluciona, aunque habitualmente lo hace en escalas de tiempo mucho mayores. Existen procesos, como la explosión de una supernova, que podemos observar en tiempo real. Pero además el cosmos cambia como un todo, y hace aproximadamente 13.800 millones de años conoció la mayor transformación que podemos imaginar: surgió de repente, de modo que la materia, la energía, e incluso el espacio y el tiempo aparecieron espontáneamente a partir de la nada en lo que hoy llamamos la ‘Gran Explosión.

Esta es una idea difícil de digerir, y como tal requiere evidencias muy sólidas que la apoyen. Tres son las grandes pruebas en que se basa:

  1. El universo se expande. Edwin Hubble observó hacia 1925 que las galaxias se alejan unas de otras a velocidades proporcionales a la distancia entre ellas. Georges Lemâitre había probado anteriormente que un universo en expansión representaba una solución válida de las ecuaciones de Einstein, aunque éste se había mostrado reticente (sus ecuaciones son correctas, pero su física es abominable, cuentan que le dijo). Si el cosmos se encuentra en expansión es fácil imaginar que en el pasado ocupaba un volumen mucho menor y, en el límite, un volumen nulo. Tal instante, en el que la temperatura y la densidad serían extremadamente altas, es lo que llamamos ‘Gran Explosión’ o ‘Big Bang’.
  1. La composición del universo es tres cuartos de hidrógeno y un cuarto de helio, los dos elementos más ligeros. Todo el resto de la tabla periódica, incluyendo los elementos que componen la mayor parte de nuestros cuerpos y nuestro planeta (silicio, aluminio, níquel, hierro, carbono, oxígeno, fósforo, nitrógeno, azufre…), representa aproximadamente el 2% de la masa total. Cuando hacia 1950 algunos físicos (entre ellos Fred Hoyle, William Fowler y el matrimonio formado por Geoff y Margaret Burbidge) entendieron por primera vez las ecuaciones que regían las reacciones nucleares en las estrellas, probaron que todos esos átomos ‘pesados’ habían nacido en los núcleos estelares. George Gamow, Ralph Alpher y Robert Herman aplicaron las mismas ecuaciones a la ‘sopa’ de partículas elementales que debería haber existido en los primeros instantes del universo, teniendo en cuenta su rápido proceso de enfriamiento. Dedujeron que, aproximadamente tres minutos después del instante inicial, la temperatura habría bajado lo suficiente como para frenar cualquier reacción nuclear, dejando un universo con las cantidades observadas de hidrógeno y helio.

    Arno Penzias y Robert Wilson en la antena de Holmdel (Bell Labs, Nueva Jersey) con la que descubrieron la radiación de fondo de microondas. / NASA.

    Arno Penzias y Robert Wilson en la antena de Holmdel (Bell Labs, Nueva Jersey) con la que descubrieron la radiación de fondo de microondas. / NASA.

  1. Si el universo nació en ese estado indescriptiblemente caliente y se ha ido enfriando, ¿cuál será su temperatura actual? Eso se preguntaban Robert Dicke, Jim Peebles, Peter Roll y David Wilkinson en Princeton a mediados de los sesenta. Antes de completar su antena para intentar medir esa temperatura, supieron por un colega que dos astrónomos de los cercanos laboratorios Bell, que utilizaban una gran antena de comunicaciones para medir la emisión de la Vía Láctea, detectaban un ruido de fondo que no conseguían eliminar. Arno Penzias y Robert Wilson habían descubierto, sin saberlo, la radiación de microondas causada por la temperatura de fondo2,7 grados Kelvin (aproximadamente menos 270 grados)– que constituye el eco actual de la Gran Explosión.

Otros resultados recientes, como la medida de la tasa de expansión del universo a partir de observaciones de supernovas (1998) o la detección de escalas ‘fósiles’ características en el agrupamiento de galaxias (2005), han permitido estimar con precisión los parámetros del modelo. Así, la edad del universo es 13.800 millones de años (con una precisión menor del 1%).

La evolución de la estructura del universo según una simulación por ordenador, en escalas de tiempo que cubren desde hace 12.800 millones de años (línea superior) al presente (línea inferior), y escalas de tamaño que van desde 325 (columna izquierda) a 50 millones de años-luz (columna derecha). / Millennium-II Simulation: M. Boylan-Kolchin et al. (Max Planck Institute for Astrophysics), Volker Springel (Heidelberg Institute for Theoretical Studies).

La evolución de la estructura del universo según una simulación por ordenador, en escalas de tiempo que cubren desde hace 12.800 millones de años (línea superior) al presente (línea inferior), y escalas de tamaño que van desde 325 (columna izquierda) a 50 millones de años-luz (columna derecha). / Millennium-II Simulation: M. Boylan-Kolchin et al. (Max Planck Institute for Astrophysics), Volker Springel (Heidelberg Institute for Theoretical Studies).

Eso sí, menos de un 5% del contenido del cosmos es la materia que estamos acostumbrados a ver. Existe otro tipo de materia del que hay una cantidad cuatro veces mayor que de materia normal –sólo notamos su efecto gravitatorio, y la llamamos ‘materia oscura–. Además una nueva componente, que llamamos ‘energía oscura a falta de un nombre mejor, representa casi un 75% del contenido del cosmos. ¿Su propiedad principal? Que genera una presión que se opone a la gravedad haciendo que el universo se encuentre en un proceso de expansión desbocada.

Hace 10.000 millones de años se formó nuestra galaxia, y nuestro sistema solar apareció solamente unos 5.000 millones de años atrás. En uno de sus planetas aparecieron hace casi 4.000 millones de años los primeros seres vivos: entes capaces de almacenar información genética, reproducirse y evolucionar. Tuvieron que pasar casi todos esos años para que, prácticamente ayer, apareciera una especie de primate capaz de observar el mundo a su alrededor, hacerse preguntas, y almacenar información de un nuevo modo: el instinto, el habla, la escritura, la cultura, la ciencia…

La cosmología observacional ha conseguido hoy responder a muchas preguntas que hace poco más de un siglo eran absolutamente inatacables para la física. No obstante un gran número de nuevos problemas se han abierto: ¿Qué es la materia oscura? ¿Cuál es la naturaleza de la energía oscura y cómo provoca la expansión? ¿Qué produjo la asimetría inicial entre materia y antimateria? ¿Tuvo el universo temprano una fase inflacionaria de crecimiento acelerado? Multitud de programas observacionales y esfuerzos teóricos y computacionales se dedican a intentar resolver estas cuestiones. Esperamos que al menos algunas de ellas tengan respuesta en los próximos años.

 

* Alberto Fernández Soto investiga en el Instituto de Física de Cantabria (CSIC-UC) y en la Unidad Asociada Observatori Astronòmic (UV-IFCA). Junto con Carlos Briones y José María Bermúdez de Castro, es autor de Orígenes: El universo, la vida, los humanos (Crítica).