El profesor de la Universidad de Córdoba resalta el papel de la materia oscura en las teorías de evolución de galaxias y en las simulaciones computacionales.
Mario G. Abadi es astrónomo argentino, doctorado de la Universidad de Córdoba de Argentina en al año de 1993, especialista en el tema de la formación de galaxias y, en particular, en el área de simulaciones numéricas de N-cuerpos.
Esta labor se realiza con programas computacionales muy complejos que resuelven las ecuaciones de movimiento de partículas los cuales representan la distribución de masa que existe en una galaxia. Las simulaciones computacionales se evolucionan a través del tiempo para generar las condiciones iniciales más cercanas al momento del Big Bang y hasta un tiempo que llega a la edad actual del universo alrededor de unos 13.800 millones de años. Estos resultados se comparan con las observaciones realizadas por los astrónomos que apuntan sus telescopios a galaxias reales que se encuentran a una gran distancia.
La física que explica el proceso de formación de galaxias es compleja y no lineal, lo cual hace que sea muy difícil resolver las ecuaciones de manera analítica. Estos sistemas de ecuaciones acopladas son ecuaciones que tienen dependencia la una de la otra y por su dificultad deben ser resueltos de manera numérica.
¿Qué es la materia oscura?
Respuesta: Es una pregunta bastante difícil, en realidad aún no se sabe, se conoce que es un tipo de materia que existe en el universo y su presencia se detecta de manera indirecta, en la actualidad no hay detección de materia oscura de manera directa, esa sutileza entre directa o indirecta es el punto que genera gran controversia entre los científicos dedicados a esta investigación.
La detección directa sería similar a poder ver una partícula de materia ordinaria visible de la cual están hechos los átomos. La hipotética materia oscura no tiene la propiedad de emitir fotones. En el lenguaje científico esta materia no interactúa y por lo tanto no se puede detectar de forma directa.
La detección indirecta determina cómo se mueven los objetos celestes visibles y deduce a partir de ese movimiento la existencia de la materia no observable. Un ejemplo sencillo de esta situación es, suponer que por un momento el sol se apaga, sin embargo, gracias al conocimiento de la física newtoniana se deduciría la existencia de un objeto en la posición en la que está el sol, es más se determinaría que este objeto tiene una masa muy cercana a la del sol medida actualmente y todo esto sin ver al sol directamente. En definitiva, quien daría cuenta de la existencia del sol sería el movimiento de los planetas del sistema solar.
Buscar lo que hay en el universo con solo la materia visible es como apreciar la imagen tomada de la superficie de la tierra en la noche desde un satélite artificial. Estas imágenes muestran los perfiles luminosos de las ciudades que más luz artificial emiten, pero no otorgarían información de los océanos, ni de las cordilleras, ni de las selvas, ni de los polos. Es decir, no dan cuenta de donde se encuentra la mayor parte de la masa en la superficie de la tierra.
En el universo cuesta mucho ver las cosas que no brillan porque son muy tenues, esto es como la analogía del borracho que busca las llaves del auto debajo del farol, no porque ahí se le perdieron, sino porque ahí hay luz. Los astrónomos cometemos muchas veces esa equivocación.
¿Qué importancia tiene la materia oscura en el ámbito de la astrofísica?
Respuesta: Es fundamental. Es la componente más importante, ya que de acuerdo a los estimativos de masa que se hacen, hay del orden de siete veces más materia oscura que materia ordinaria. La materia ordinaria hace referencia a la materia hecha de átomos, de lo que están hechos absolutamente todos los objetos que tienen conocimiento los seres humanos. La materia visible según los modelos solo representaría la sexta o séptima parte de la masa del universo, es decir habría seis o siete veces más materia oscura en una galaxia que materia visible.
Siendo la materia oscura la componente dominante, esta determina cómo se moverán los demás objetos. La fuerza gravitacional fundamental proviene de ahí y no de los otros objetos, ya que estos presentan menos masa.
La materia oscura es aproximadamente el 85% del total de masa del universo mientras que la materia ordinaria representaría solo el 15% restante.
¿Qué importancia tiene la materia oscura en el área de las simulaciones?
Respuesta: Es muy extraño esto de la materia oscura, no sabemos que es, pero sabemos muchas cosas. Este proceso es muy común en la ciencia, se saben describir las cosas, aunque no se entiende exactamente qué son.
En los años noventa surge la denominada cosmología de precisión, con esta técnica se empieza a saber cuánta materia oscura y cuánta materia ordinaria hay, pero no solo en una galaxia sino en todo el universo, de esta manera se obtuvo la relación porcentual de masa entre materia ordinaria y materia oscura. Es decir, se pudo estimar cuanta materia oscura hay respecto a la materia ordinaria.
A partir de esta información se procede a hacer simulaciones en las que se toman volúmenes computacionales de carácter imaginario que representan un espacio real del universo, en este espacio podría haber decenas, cientos, cientos de miles o decenas de miles de galaxias, es allí donde se pone una mezcla de materia oscura y materia ordinaria. En este caso la materia ordinaria es lo que se denomina gas, fundamentalmente hidrógeno. El Hidrógeno se formó primitivamente en la nucleosíntesis de las estrellas del universo primigenio según el modelo del Big Bang.
Con esta mezcla se estudia cómo se formaron las estructuras galácticas a partir de una distribución que en el inicio era prácticamente homogénea, es decir la densidad en cualquier lugar de ese volumen era casi constante, pero con pequeñas fluctuaciones, entonces los lugares con pequeños excesos acumularon cada vez más y más materia, y los lugares donde menos masa había se fueron vaciando de materia oscura y materia ordinaria, todo esto debido a la acción de la fuerza gravitatoria.
En una analogía la gravedad es como el capitalismo, los ricos se vuelven cada vez más ricos y los pobres cada vez más pobres. Las zonas más densas fueron cada vez más compactas y formaron los denominados halos de materia oscura, estas estructuras son enormes, ya que colectaron una gran cantidad de materia oscura a costa del vaciado de las zonas de baja densidad. Los halos tienen una forma aproximadamente esférica con un perfil de densidad que dicta que hay más materia en el centro y menos en la periferia.
¿De qué está hecha la materia oscura?
Respuesta: Eso depende del modelo, en primera instancia se pensó que era materia ordinaria que no brillaba, sin embargo, rápidamente se concluyó que, aunque no brillará tendría que interactuar con la materia visible y con la radiación, pero hoy eso no se ha detectado de ninguna manera.
La materia ordinaria que no brilla es un amontonamiento de estrellas que no resplandece, existen estrellas de la masa del sol que no emiten luz de la misma manera que lo hace el astro rey, estas son las denominadas estrellas viejas. Las estrellas cambian su brillo a lo largo de la vida, este es un comportamiento analógico a la vida humana, se brilla en la juventud y se resplandece poco en la vejez.
La materia oscura podría estar constituida por una población de estrellas viejas, pero el asunto es que estas están hechas de materia ordinaria y su presencia debería interactuar con la luz de las demás estrellas, pero ese efecto nunca ha sido detectado.
Posteriormente surge la idea de una partícula exótica que tiene el nombre genérico de WIMPS (Weakly Interacting Massive Particles). Estas serían partículas masivas débilmente interactuantes, podrían interactuar levemente con la materia, de ser esto así estas partículas de materia oscura deberían atravesar la tierra pero, los experimentos de la física de partículas que se realizan en la actualidad no han obtenido ningún resultado.
¿Esto tiene algo que ver con los denominados MACHOs?
Respuesta: los MACHOs (MAssive Compact Halo Objects) fue una idea de los años noventa, seguramente hoy en día no los llamarían así. Los MACHOs son grumos de materia súper compactos que se pensó podrían ser detectados en las galaxias, algunos objetos se detectaron, pero estos no pueden dar cuenta de la cantidad de materia oscura que en teoría existe.
¿Qué propiedades tiene la materia oscura?
Respuesta: La propiedad fundamental es que está no tiene presión, ya que las partículas que la constituyen solo interactúan gravitacionalmente. En un gas de la misma manera que en una pileta de natación, en la superficie y en el fondo de la pileta no se tiene la misma presión. En una estrella que es una esfera de gas hay diferencias de presión, en el centro la presión es muy alta y en la superficie es muy baja. Entones, la propiedad fundamental que tiene la materia oscura, es que se encuentra regida por la ley de gravitación universal de Newton. En este caso como los campos gravitacionales son débiles y velocidades de partículas son bajas no se hace necesario de ninguna manera recurrir a modelos de carácter relativista.
¿Cree usted que si existe la materia oscura?
Respuesta: En general todos los científicos que investigamos este tema tenemos la duda. Hasta que no se detecte la partícula y quede resuelto el problema, la inquietud seguirá latente. Esto no quiere decir que mientras tanto no se puedan hacer avances.
Si no es una partícula o lo que sea, lo que se sabe es que la velocidad con la que se mueven los objetos alrededor del centro de la galaxia es bastante elevada, tanto que si no existiera lo que denominamos materia oscura la galaxia se desarmaría.
Las galaxias viven en lugares de alta densidad que son denominados cúmulos de galaxias, estos pueden llegar a tener cientos o miles de galaxias y esas galaxias también se están moviendo muy rápido, sus velocidades son tan altas que lo único que podría dar cuenta de este fenómeno sería la hipotética materia oscura.
Así como el sol hace mover a los planetas en sus órbitas, la materia oscura haría mover a los cúmulos con sus correspondientes estrellas y galaxias.
Se tiene tanta confianza y se ha testeado tantas veces la ley de gravitación de Newton que se dice que la masa que da cuenta de la dinámica estelar y galáctica es muy grande, esta sería la única razón que justifica las altas velocidades medidas. Esta es una de las evidencias más poderosas que permite pensar en la existencia de la materia oscura.
¿Existen teorías alternativas a la materia oscura? ¿Cuáles?
Respuesta: Sí. MOND o (Modified Newtonian dynamics), consiste en modificar la segunda ley de Newton, pero sin tocar la masa, se cambiaría la forma funcional de la ecuación que define la ley. Es decir, se asume que lo que falta no es masa, sino que las leyes que describen la fuerza son distintas.
Esta es una alternativa que muchos científicos han tomado en cuenta y que a medida que pasa el tiempo gana más adeptos, eso si no es la visión convencional de los científicos, ya que presenta algunos problemas cuando se aplica a grandes escalas en el universo. Además, esta no deriva de lo que los científicos denominan primeros principios, es decir; desde teorías o modelos ya preestablecidos.
Existe el modelo de materia oscura fría que en escalas cosmológicas es más atractivo, y ha sido un modelo más robusto para explicar muchos resultados no solo a bajas escalas como la de la Vía Láctea sino también a escalas grandes del universo como las de cúmulos o supercúmulos de galaxias.
Claro que desde el punto de vista científico no se debería tener prejuicios para poder estudiar todas las posibles hipótesis, sin embargo, somos seres humanos y tenemos nuestras preferencias.
¿La materia oscura podría ser un modelo elegante para resolver un problema que está dando cuenta de una nueva física?
Respuesta: Podría ser, pero es difícil porque no tenemos esa nueva física. En el caso de la relatividad, cuando esta apareció a los científicos no les costó mucho creerle a Einstein su desarrollo, a pesar de ser una teoría anti-intuitiva, difícil de comprender, pero esta daba cuenta de varios fenómenos de la realidad física.
Pero, si MOND explicará la cantidad de resultados que vemos, es posible que la comunidad académica lo aceptaría sin ningún prejuicio ya que los científicos están ávidos de resolver el problema de la materia oscura, para saber ¿qué es? y ¿qué consecuencias tiene? Y se partiría desde ahí, ahora que ya hemos resuelto que se puede hacer, lamentablemente no se tiene la teoría y si, podría ser la existencia de una nueva física, pero por lo pronto esta es la manera más sencilla que tenemos para explicar los resultados observacionales.
Si es una partícula, si es un campo, si es algo que desconocemos no hay lío. Los experimentos de las curvas de rotación de las galaxias y la dispersión de velocidades de las galaxias en los cúmulos nos dicen que hay que poner mucha más masa o que la fuerza debe ser mucho más grande para que las estructuras sean estables, ese es el asunto.
¿Cómo ayuda esto para entender el universo?
Respuesta: Las implicaciones que tienen estas problemáticas son bastante profundas. Seguramente no en el día a día de la sociedad, pero saber en qué tipo de universo vivimos es una pregunta que los seres humanos nos hemos hecho desde nuestros inicios, seguramente desde la historia y la prehistoria.
La consecuencia de saber en qué tipo de universo vivíamos fue una de las revoluciones intelectuales más trascendentales que ha tenido la historia de la humanidad. Cuando se pasó del modelo geocéntrico al modelo heliocéntrico. Es decir, darnos cuenta de que no hay un centro, que la tierra no es el centro de nada. Que no tenía sentido esa pregunta, sin duda alguna esto generó un cambio en la forma de pensar de la sociedad.
Saber que solamente el 4% de la materia que existe en el universo es la materia ordinaria, el 26 % materia oscura y el 70% de energía oscura que es una componente aún más exótica. Esta última sería la que da cuenta de la expansión acelerada del universo.
En general la tarea de los astrónomos es explicar a la comunidad cuál es el tamaño de nuestro planeta, cuál es el tamaño de una estrella, a qué distancia están las estrellas, a qué distancia están las galaxias, cómo es nuestro universo y así de esta manera intentar comprender qué lugar ocupa el Homo Sapiens en el cosmos.
La ciencia está en la punta del iceberg, pero toda la masa del iceberg se encuentra debajo y no puede ser apreciada, por supuesto, no es lo mismo conocer la punta del iceberg que conocer toda su estructura.
¿Qué importancia tiene para el mundo actual la existencia o inexistencia de la materia oscura?
Respuesta: En primera instancia hasta que no se presente la detección de la partícula no se puede contestar a esa pregunta. Si la sociedad espera que con la materia oscura se pueda hacer andar más rápido la licuadora o ese tipo de cosas, eso probablemente no vaya a ser así.
Seguramente Kepler y Newton realizaron sus estudios por el placer de entender el universo, para saber cómo se movían los astros o entender cómo funcionaba el sistema solar. Probablemente jamás llegaron a pensar que los teléfonos celulares iban a tener GPS, lo interesante es que estos dispositivos están puestos en satélites que se rigen por las mismas leyes que ellos descubrieron para dar cuenta del movimiento de la luna y de los planetas.
En general las consecuencias son inesperadas, saber cómo llegarán a utilizar estos descubrimientos las generaciones futuras es difícil. La ley de gravitación se estudió en primeras instancias para comprender cómo es la salida y puesta del sol, sin embargo, sus consecuencias son tremendas. En la actualidad nos permiten viajar con facilidad a través del mundo por medio de las aplicaciones móviles con GPS.
Por lo pronto el problema más grande que enfrentamos es cómo detectarla.
La cultura y la ciencia ficción tienen una forma muy particular de percibir estos conceptos y de llevarlos al futuro. ¿Qué podría pasar con la materia oscura? ¿Qué opina usted de estos enfoques?
Respuesta: La ventaja que tiene el arte en general es la posibilidad de hacer volar la imaginación sin necesidad de convencer a nadie. En el mundo científico es un poco más rudo, porque se debe tratar de convencer a los académicos de que los argumentos están fundamentados en unas evidencias científicas válidas.
Las artes son muy importantes ya que estimulan la imaginación. Incluso aunque Julio Verne no sabía cómo se iba a hacer, predijo una gran cantidad de cuestiones tecnológicas que después se llevaron a cabo. Esto no quiere decir que todo lo que se prediga en el arte, en la literatura y en la ciencia ficción vaya a ocurrir.
También hay muy buenos creadores literarios que redactan sus obras fundamentándose en evidencias de carácter científico, incluso resultan ser muy apasionantes. Hay muchos científicos que leen ese tipo de relatos, seguramente por su conexión con el hecho científico.
¿Qué futuro le espera a la materia oscura?
Respuesta: Se planean experimentos de carácter observacional de satélites como el FERMI que tratarán de detectar aniquilación de partículas de materia oscura, esto es similar a la aniquilación de pares en la materia ordinaria, que cuando se eliminan emiten radiación. El problema de los detectores será saber de qué lugar del cielo proviene la señal, ya que cubren un campo de visión demasiado grande en el firmamento.
Vale la pena recordar que se están llevando a cabo grandes esfuerzos para encontrar la materia oscura, aunque en casi todos los experimentos los resultados son negativos. Claro que estos no son experimentos sencillos, ya que este es un desafío tecnológico de gran envergadura. Es muy difícil limpiar las señales detectadas y tener la convicción de que fue producida por una partícula exótica que no se conoce, porque podría ser ruido de los detectores o algún otro fenómeno físico conocido.
En argentina se tiene la idea de desarrollar unos tanques de detección de partículas, estos tanques serían ubicados en un túnel que se prevé construir para comunicar a Chile con Argentina a través de la cordillera de los Andes. Este laboratorio tendría como nombre tentativo el proyecto Andes.
En la actualidad las simulaciones se centran más en la denominada materia bariónica o materia ordinaria que en la materia oscura. Esto es un poco contradictorio, si bien no se sabe qué es la materia oscura y además cuesta mucho observarla, sin embargo, desde el punto de vista teórico se sabe todo lo que se necesita, ya que en general todo es física newtoniana hasta donde se sabe actualmente.
La materia ordinaria compuesta de átomos, si es bastante complicada de describir, es difícil dar cuenta de todos los procesos astrofísicos que permiten la formación de una galaxia, de una estrella, de las explosiones de las supernovas y de núcleos activos, es decir la física del material ordinario es muy compleja.
Omar Bohórquez
Física Increíble 
