El profesor de la Universidad Nacional de Colombia resalta el papel de la materia oscura en las teorías cosmológicas actuales.
Docente del Observatorio Astronómico de la Universidad Nacional de Colombia, Leonardo Castañeda Colorado, es físico de la universidad Nacional de Colombia, cuenta con una maestría en Física cursada en la Universidad Nacional de Colombia, y es doctor en Astronomía y Astrofísica por la universidad de Bonn. Además, es experto en gravitación, cosmología, lentes gravitacionales, gravedad modificada, campos magnéticos cosmológicos e hidrodinámica relativista.
¿De dónde viene el nombre de materia oscura?
Recordemos que en 1929 Hubble descubrió que las nebulosas extra-galácticas se alejan de nosotros cada vez más rápido entre más lejos estén, lo que se convirtió en el hito cosmológico de la expansión del universo. A partir de este gran hallazgo, se abre una nueva posibilidad en la astronomía y esta empieza a evolucionar.
Hay algo típico que se llama la curva de rotación galáctica. Esta se establece tomando como punto de referencia el centro galáctico, y da cuenta de qué tan rápido giran las estrellas alrededor del centro. Lo que se espera es que, suceda lo mismo que en el sistema solar: que entre más cerca este un planeta al Sol, más rápido se mueva orbitalmente. Este fenómeno se conoce como las leyes de Kepler. Usando estas leyes, los astrónomos esperaban ver que las estrellas giraran más lentamente mientras más se alejaban del centro galáctico, pero para sorpresa de todos, las estrellas no giraban más rápido y no cumplían el régimen Kepleriano.
Esto es muy curioso, ya que la materia visible o también denominada materia bariónica, no es suficiente para explicar por qué las estrellas se mueven tan rápido en los bordes de los discos galácticos. Fritz Zwicky astrónomo de los años 30 estudió estos fenómenos y se cuestionó si debían cambiar las leyes de Newton que habían dado tan buenos resultados o si se debían determinar la existencia de algo en las galaxias que no emite luz pero que produce gravedad.
De esta manera es que se acuña el nombre de materia oscura la cual no parece tener ni las cargas, ni las interacciones de la materia ordinaria que es detectada por su emisión de fotones que viajan años luz para ser observados a través de los telescopios. Los únicos efectos medidos en la materia oscura hasta ahora son sus efectos gravitacionales.
¿Qué es la materia oscura?
Respuesta: En este momento, yo no le podría responder. Creo que nadie le podría responder qué es. Lo que se tiene es evidencia indirecta de algunos de sus efectos, en caso tal de que la materia oscura exista.
¿Por qué los científicos de la época prefieren tomar la opción de la falta de masa para dar cuenta de estos procesos y no suponer que hay un error en la ley de Newton?
Respuesta: La ley de Newton desde el año 1600 hasta el año 1930 aplicada al sistema solar funciona casi como un mecanismo de relojería. Resulta que hoy cuando se mide la ley de gravedad e incluso después de la aparición de la teoría de la relatividad general de Einstein en el sistema solar, la gravedad se comporta tal cual lo enunció Newton. Inclusive un error experimental que se aprecia en la catorceava o quinceava cifra decimal. Esto hace de la teoría newtoniana una teoría muy precisa, por eso no es tan fácil echarla por la borda.
Nos enfrentamos a una masa que no vemos, pero de la que apreciamos sus efectos gravitacionales.
¿Qué es la Cosmología?
Respuesta: La cosmología ha estado desde que el hombre tiene uso de razón y se pregunta ¿de dónde venimos y para dónde vamos? La cosmología trata ese tipo de cuestiones. Se pregunta: ¿cuál es nuestro lugar en el cosmos? ¿qué es el universo? ¿qué es el espacio? ¿Qué es el tiempo? ¿El universo ha sido eterno? ¿Qué es la eternidad? La cosmología ha estado en todas nuestras culturas ya que forma parte del devenir humano.
La cosmología moderna se fundamenta en 1916, cuando Einstein reformula de una manera sin precedentes el concepto de gravitación en su teoría de la relatividad general, relacionando así la gravedad con la geometría del espacio-tiempo, dando cuenta de que estos dos no son una cosa aparte y que además pueden ser moldeados por los efectos de la gravedad. De esta manera se pregunta por la naturaleza misma del espacio y del tiempo, por su origen, por su historia y evolución.
La cosmología moderna nace hace un siglo observacionalmente y con la formulación de Einstein se convierte en la ciencia con más éxitos en los últimos cien años. Por supuesto la cosmología sigue en desarrollo, pero también ha brindado un sin número de respuestas. Una de las más destacadas es el modelo cosmológico estándar (Teoría del Big Bang), que explica qué es el universo y de qué está hecho. Es un buen modelo y ha tenido éxito, sin embargo, se desconoce la naturaleza del 95% de sus componentes.
¿Qué importancia tiene la materia oscura en el ámbito de la Cosmología?
Respuesta: El primer efecto es a escala de las estructuras astrofísicas; es el denominado efecto de lente gravitacional que es predicho por Einstein y que se parece al efecto que produce la lente de una cámara o de unas gafas. Pero en este caso es la gravedad la que produce efectos sobre la propagación de la luz. En una galaxia la masa es tan grande, que la gravitación se comporta como el índice de refracción en el vidrio y hace lo mismo, doblar los conos de luz generando múltiples imágenes de una misma estructura.
Cuando se mide esto en un cúmulo y se obtienen las imágenes de las galaxias que están por detrás de él, para explicar su forma, su brillo y dónde se ubican se hace necesario que las estructuras estén dominadas por la materia oscura, ya que la materia que brilla es solo el 5% de la que se necesita para dar cuenta de estos efectos.
La segunda instancia es cuando surge la pregunta de ¿cómo se formaron las galaxias debido a la interacción gravitacional en el universo temprano si no existiera la materia oscura? Es muy probable que sin la existencia de la materia oscura no hubiese sido posible formar galaxias incluso hasta la actualidad. La radiación cósmica de fondo (CMB) es conocida como el eco de la gran explosión que da cuenta del momento en que la luz y la materia se desacoplaron en los primeros años del universo. En esta hay evidencias que indican que hubo grandes fluctuaciones en la materia conocidas como anisotropías que además generaron fuerzas gravitacionales suficientemente grandes para que los bariones (partículas que constituyen la materia luminosa) se pudieran enfriar y amontonar para así formar las estrellas y galaxias.
¿Dónde se encuentra la materia oscura?
Respuesta: En todas partes, de hecho, los astrónomos se preguntan porqué si es tanta la materia oscura no se ha detectado en los laboratorios en la tierra.
Cuando se estudia la curva de rotación de la Vía Láctea, el sol viaja alrededor del centro galáctico a más o menos 220 km/s. Resulta que si solo se tienen en cuenta los diez mil millones de soles que tiene la galaxia no se podría estar girando tan rápido respecto al centro galáctico. Por lo tanto, en la vecindad solar se sienten los efectos de la materia oscura, lo cual se aprecia en la curva de rotación.
La materia oscura es muy difícil de estudiar, no se sabe qué es, cómo interactúa y por qué solo está en el sector gravitacional. Por lo tanto, no se tienen experimentos directos para planear en el CERN (Organización Europea para la Investigación Nuclear) y de esta manera definir a qué escala de energía se podría medir la materia oscura. Lo que se espera en las siguientes décadas es que productos de colisiones y procesos que se conocen den como resultados partículas que puedan decaer a partículas conocidas como candidatas a materia oscura.
¿De qué está hecha la materia oscura?
Respuesta: Pueden ser campos o partículas, estos deben tener unas características. Un campo es la representación de la distribución de una magnitud física en el espacio y en el tiempo. Por ejemplo, si tenemos una habitación llena de aire se podría medir la temperatura del gas en cada punto dentro del espacio y de esta manera establecer que para cada uno de estos puntos hay una temperatura completamente diferente e incluso en diferentes horas del día para ver su distribución en el tiempo.
El origen del universo pudo haber comenzado de un campo cuántico, es decir a escalas atómicas y sub-atómicas. Después se desacopla del resto de interacciones muy temprano en el universo, y empieza a evolucionar. Lo que se puede dar es cotas de las masas de las partículas o la escala de energía de esos campos a través de los lentes gravitacionales.
Cosmológicamente se pueden colocar cotas a la sección eficaz de colisión de la materia oscura viendo la formación de las estructuras astrofísicas. La sección eficaz de colisión es una magnitud física que da cuenta de que tan fuerte es una colisión entre dos objetos materiales, esta define si la colisión fue frontal o si simplemente los objetos se rozaron. Los cosmólogos llevan muchos años ayudando a la física de partículas enmarcando en qué rangos de energía deberían buscar, debido a que observacionalmente ya se tiene caracterizada la sección eficaz de la materia oscura. Por esto, es muy importante la simbiosis de todas las disciplinas de la física, buscando los distintos candidatos de materia oscura.
Aquí es cuando se empieza a revisar con física más allá del modelo estándar de partículas en qué decaimientos pueden estar partículas como los neutralinos, y así construir los modelos teóricos que brinden la posibilidad de tener esas escalas de masa y energía. Los neutralinos son partículas hipotéticas que podrían resolver el misterio de la materia oscura.
¿Usted se encuentra cien por ciento seguro de la existencia de la materia oscura?
Respuesta: Aunque hay muchas medidas indirectas como las curvas de rotación y las lentes gravitacionales, que de alguna manera apuntan a que sí existe, aún hay que esperar. En el proceso de tomar los bariones que están muy calientes al principio del universo y poder atraparlos se hace necesario que existan pozos de materia oscura. En estos pozos la materia bariónica se enfría y se deposita. Esta materia es la que permite la formación de nubes moleculares para crear estrellas, todo esto está medido en los rayos x en el medio intergaláctico. Esto son manifestaciones de que la materia oscura se hace necesaria de alguna manera.
Por lo tanto, no nos podemos sesgar como científicos, no hay que ir a la especulación absurda y fantasear sin tener la posibilidad de hacer medidas. Las medidas nos dan la información de cómo ir descartando ese tipo de modelos. Sin experimentos y observaciones no hay nada.
¿De qué manera se puede detectar la materia oscura?
Respuesta: Hay métodos indirectos en astrofísica tales como: las anisotropías en la radiación cósmica de fondo, las curvas de rotación galáctica, las lentes gravitacionales y la formación de estructuras. Este tipo de medidas indirectas indican que esta materia debe estar ahí. Realmente no hay una cámara que diga aquí está la materia oscura. Generalmente la población espera o anhela que se le diga: mire aquí hay cien gramos de materia oscura.
¿En la actualidad qué tipo de experimentos se están realizando para llevar a cabo la detección de la materia oscura?
Respuesta: En los experimentos como DAMA o PAMELA, los científicos lo que buscan es de manera indirecta, a través de los decaimientos de partículas que caigan a candidatos de materia oscura. Esto se evidencia a partir de los conceptos como conservación del momento y conservación de la energía. Como se suele decir la energía y el momento no se crean ni se destruyen solo se transforman. En un experimento se suma y si está faltando momento y no hubo otro producto registrado en los detectores es muy posible que esta energía se la llevara un candidato a materia oscura.
El experimento DAMA es un detector de partículas, este experimento busca la detección directa de materia oscura y se encuentra en el Laboratori Nazionali del Gran Sasso en Italia. Por otro lado PAMELA es un detector de partículas ubicado en un satélite y tiene como objeto medir directamente partículas de materia oscura a través de la radiación recibida de fuentes de rayos cósmicos.
La técnica descrita anteriormente fue la que se utilizó para detectar la partícula que en la actualidad se denomina neutrino. En ese caso se confía cien por ciento en las leyes de conservación y en las técnicas de detección. Incluso aunque no se vea la partícula o campo es posible inferir de esta manera que ahí está. Esto es como cuando se roban nuestro dinero, aunque no se sabe quién, de qué nos robaron nos robaron. (Risas)
Con el famoso descubrimiento de las Ondas Gravitacionales, tema en el cual se trabaja aquí en el grupo de cosmología de la Universidad Nacional de Colombia, se sabe que todas las estructuras de materia oscura cuando empiezan a hacer colapso gravitacional deben emitir estas ondas. Las ondas dejan huellas y con experimentos como LIGO o LISA y las nuevas técnicas de detección se podrían encontrar aún más evidencias de estos fenómenos.
Una onda gravitacional detectada puede provenir de la colisión de dos objetos compactos, esto debe ser atribuible de alguna manera a la materia oscura en ellos. Claro que puede haber señales en las cuales no sea fácil detectar las fuentes como se hace en la componente luminosa; sin embargo, en estas circunstancias se podría investigar qué tipo de materia es y cómo son las interacciones para que se produzcan los patrones de ondas gravitacionales detectadas.
¿Qué pasa con los resultados de DAMA/LIBRA, que parece haber detectado la materia oscura?
Respuesta: El problema es la cantidad de procesos que se presentan en los famosos canales de decaimiento, estos productos indirectos son los que sí puede registrar el detector. La dificultad de DAMA/LIBRA y de muchos experimentos es si hubo decaimiento y si se pudo medir en el laboratorio. También se preguntan: ¿qué tan único es ese proceso? ¿cómo puede definirse que viene de decaimientos de materia oscura? Este ha sido realmente el problema. Lo más difícil es poder replicar las medidas, ya que en eso se fundamenta la ciencia.
¿Cree usted que la materia oscura es simplemente un modelo elegante para resolver un problema que está dando cuenta de una nueva física?
Respuesta: Sí, podría ser, como lo fue en su momento el problema del movimiento de los planetas que fue resuelto por Ptolomeo montando orbitas de círculos sobre círculos denominados epiciclos. La materia oscura podría ser vista como un epiciclo, pero no tenemos más. Esto es construir la ciencia. Generalmente en la ciencia se opta por construir sobre el éxito de las teorías ya conocidas. En el caso en que un científico se atreve a plantear una nueva teoría, esta debe dar cuenta de unos resultados completamente medibles en la realidad, resultados ya conocidos o predicciones que puedan ser medidas a posteriori.
¿Existen teorías alternativas a la materia oscura?
Respuesta: El punto es ¿por qué la relatividad general? El mismo Einstein dice: “esta es una posibilidad de explicar la gravitación, pero ¿quién nos dice que sea la única?” Por esa razón se está buscando la unicidad de las teorías. En este sentido, la teoría de Einstein toma fuerza debido a las predicciones que realiza respecto a las anomalías de la posición de la órbita de mercurio, la desviación de la luz entre otro tipo de circunstancias, pero ¿por qué no sellar y decir que es la teoría final?
Las teorías físicas son verificables, pero ¿cuándo se puede decir que una teoría es completamente la verdad? Uno las puede falsear, es decir, se pueden echar a la basura teorías, pero no puedo decir esta es la verdad absoluta. En todo caso la relatividad general no resulta ser la teoría final, así como la mecánica clásica resulta ser el límite de la relatividad general. Así también parece ser que la relatividad general es el límite de una teoría aún más fundamental que se sigue buscando.
De este modo en la física surgen cosas curiosas, Hay teorías como MOND, MOG o f(r) entre otras conocidas como teorías de gravedad modificada. Estas teorías alternativas podrían darnos cuenta de las problemáticas que resuelve la materia oscura, sin embargo estas traen consigo otro sin número de dificultades que deben ser resueltas para ser avaladas.
¿Cómo ayuda esto a entender nuestro universo?
Respuesta: Eso es tan complicado como preguntarse: ¿qué somos? ¿quiénes somos? ¿para dónde vamos? Es una cuestión filosófica. El libro de Newton que es uno de los libros más importantes en ciencias se llama Principios Matemáticos de la “Filosofía” Natural, como su nombre lo indica todo lo discutido está muy unido a principios filosóficos y esto no se puede omitir.
En esa línea hay muchas preguntas ¿las matemáticas se hacen o se descubren? ¿por qué se quiere matematizar el universo? Todas esas preguntas van en la misma vía. Entonces cualquier cosa que se necesite para explicar el universo está en ¿qué es la materia oscura? ¿qué es el espacio? ¿qué es el tiempo? ¿quiénes somos? ¿qué es la conciencia? Lo importante en este proceso es no caer en especulaciones.
¿Qué importancia tiene para el mundo actual la existencia o inexistencia de la materia oscura?
Respuesta: En la actualidad todas las facetas del ser humano se encuentran permeadas por la tecnología.
Hoy en día se puede pensar que la materia oscura es solo para los astrónomos, para los físicos de partículas que la pueden entender. Pero actualmente se asiste al hospital para que se le tome una tomografía por positrones. Cuando Dirac empezó a hacer sus teorías para lograr la unión de la mecánica cuántica con la relatividad especial y descubrió la idea de la antimateria, la sociedad dijo y ¿eso para qué sirve? hoy en día nadie duda de eso, en la actualidad la materia oscura se encuentra en las mismas condiciones que la antimateria en los días de Dirac.
En todo caso no se debe tener ese carácter tan utilitario de la ciencia. El hecho de que los humanos entendamos nuestro entorno, ya es ganancia. La medicina es un claro ejemplo de lo útil que es este proceso; los rayos X, la tomografía, resonancia magnética nuclear etc. Todos esos descubrimientos en la física no se hicieron con ese fin, pero traen como consecuencia estos resultados.
¿Qué futuro le espera a la materia oscura?
Respuesta: En el CERN se van a realizar experimentos en los próximos años, con estos se buscan canales distintos de decaimiento de materia oscura. Es importante recordar que hace unos años no se entendía lo que era la masa más allá de que esta producía un efecto debido al campo gravitacional sobre las balanzas de resorte. Hoy en día, esto ha cambiado un poco, ya que en el CERN se midió el Bosón de Higgs.
Con la materia oscura posiblemente pase lo mismo. Así cuando se entienda más sobre la materia oscura se planeará más aparatos, medidas e incluso en la medicina se utilizarán propiedades de la materia oscura. En todo caso hay que esperar.
Omar Bohórquez
Física Increíble 