EL LADO OSCURO DEL UNIVERSO MATERIA Y ENERGIA OSCURA

INTRODUCCIÓN

Hoy quiero hablar acerca del lado oscuro del universo. Que es la materia oscura, la energía oscura y su importancia en el destino final del universo.

DESARROLLO

La energía oscura y la materia oscura describen soluciones a fenómenos gravitacionales aún no resueltos. Por lo que sabemos, los dos son distintos.

“la materia oscura es todo lo que no vemos ni sabemos lo que es, pero pensamos que está ahí”

La materia oscura se origina en el esfuerzo para explicar la falta de coincidencia observada entre la masa gravitatoria y la masa luminosa de galaxias y cúmulos de galaxias. La masa gravitatoria de un objeto se determina mediante la medición de la velocidad y el radio de las órbitas de sus satélites, al igual que podemos medir la masa del Sol utilizando la velocidad y la distancia radial de sus planetas. La masa luminosa se determina mediante la suma de toda la luz y convirtiendo este número a una masa basándose en la comprensión de cómo las estrellas brillan. Esta comparación de masa a luz indica que la energía en materia luminosa aporta menos del 1 por ciento de la densidad de energía media del universo.

Sin duda hay más materia en nuestra galaxia y de otras galaxias que no vemos, pero otra evidencia indica que existe un límite superior a la cantidad total de materia normal presente en el universo. Por la materia normal, se quiere decir las cosas hechas de átomos. Los resultados concuerdan con las predicciones teóricas de las abundancias primordiales de los elementos ligeros, como resultado de los procesos nucleares que tuvieron lugar en los primeros tres minutos del universo-- también conocido como núcleo-síntesis primordial. En última instancia, los argumentos muy fuertes han hecho que a lo sumo 5 por ciento de la densidad de masa-energía del universo, y el 20 por ciento de la masa de los cúmulos, es en forma de átomos.

En relación a la materia oscura, el astrofísico suizo Fritz Zwicky fue la primera persona en 1933 en proporcionar pruebas al estimar la velocidad orbital  de las galaxias situadas en el borde del cúmulo de galaxias  y estimar la masa total que debería de dar lugar a esos movimientos y ver que el conjunto de la masa visible era unas 400 veces inferior.

Materia oscura se denomina a la materia que no emite suficiente radiación electromagnética para ser detectada con los instrumentos, los medios técnicos actuales, pero cuya existencia se puede deducir a partir de los efectos gravitacionales que causa en la materia visible, tales como las estrellas o las galaxias, así como en las anisotropías del fondo cósmico de microondas presente en el universo, y en los efectos que produce en la luz, al desviarla de su camino, funcionando esta materia oscura como una lente gravitacional.

¿Qué podría ser materia oscura? Muchos físicos y astrónomos piensan que la materia oscura es probablemente una nueva partícula que hasta ahora ha eludido su detección durante experimentos con aceleradores de partículas o su descubrimiento entre los rayos cósmicos. Para que una nueva partícula se comporte como materia oscura, esta debe ser pesada (probablemente más pesada que un neutrón) y de interacción débil con la materia normal. La partícula prototípica candidata a  materia oscura es algo así como un neutrino, aunque todos los tipos conocidos de neutrinos son demasiado ligeros y  raros para explicar la materia oscura.

¿Cómo afecta a la materia oscura del universo? El problema de la materia oscura también puede ser visto como una pregunta a la naturaleza de los cúmulos de materia. La materia oscura debe ser el componente básico de construcción de las grandes las estructuras en el Universo: galaxias y cúmulos galácticos. Sin la materia oscura, el universo sería un lugar muy diferente, de acuerdo con las teorías actuales.

Y la materia oscura no es sólo para explicar el comportamiento de los cuerpos distantes en el cosmos, si no también es abundante dentro de nuestra galaxia.. Se estima que nuestro sistema solar está pasando por un buen mar de partículas de materia oscura con una densidad tan alta como aproximadamente 100000 por metro cúbico.

La figura muestra imágenes que reflejan la distribución de materia oscura alrededor de 20 grandes cúmulos de galaxias tomada  por primera vez por un equipo internacional de astrónomos de Japón, Gran Bretaña y Taiwan

La energía oscura, por el contrario, se origina en el  esfuerzo por comprender la observación hecha de la expansión acelerada del universo. En pocas palabras, la teoría actual no puede explicar esta aceleración. Una posibilidad especulativa es que la aceleración es una consecuencia de otra nueva forma de materia, apodada “la energía oscura”, que ha pasado hasta ahora sin ser detectada. Se llama "oscura" porque necesariamente debe de interactuar muy débilmente con la materia normal - al igual que la materia oscura - y que se conoce como energía porque una de las pocas cosas que en forma segura aporta casi el 70 por ciento de la energía total del universo. Si se averigua lo que realmente es, es seguro que se encuentre un nombre más esclarecedor.

Con el establecimiento del modelo cosmológico “big-bang”, se esperaba que desde el nacimiento del universo hace unos 13,7 millones de años, la expansión cósmica se estaría desacelerando. Sin embargo, dos equipos de investigadores independientes encontraron en 1998 que la expansión contrariamente a lo pensado se estaba acelerando. Si tenemos en cuenta que esta expansión es la única propiedad más notable del universo como un todo, entonces el descubrimiento de la aceleración es realmente un gran avance.

La aceleración se determina mediante la medición de los tamaños relativos del universo en diferentes momentos. En concreto, los astrónomos miden los espectros de corrimiento al rojo, y las distancias de luminosidad a explosiones estelares llamadas tipo 1a supernovas. El tiempo necesario para que la luz de una supernova llegue a nuestros telescopios se codifica en la distancia (la relación es un poco más complicado que la distancia = velocidad x tiempo, debido a la expansión cósmica), mientras que el cambio en el tamaño del universo desde la explosión a la observación de la longitud de onda de luz emitida, se caracteriza por el desplazamiento al rojo. Una comparación de estos tamaños en una secuencia de tiempos revela que el universo está creciendo a un ritmo cada vez más rápido.

La teoría de la relatividad general de Einstein predice que la aceleración cósmica está determinada por la densidad de energía media y la presión de todas las formas de materia y energía en el universo. Sin embargo, no hay formas conocidas de la materia que pueden dar cuenta de la aceleración. Por lo tanto, algo más que la materia oscura, los átomos, la luz, etc., debe ser responsable. Una hipótesis principal es que el universo está lleno de un mar uniforme de energía de punto cero cuántica, la que ejerce una presión negativa, como una tensión, haciendo que el espacio-tiempo se repele gravitacionalmente a sí mismo. Algunas veces es referida como la constante cosmológica (Lamda), que fue introducida por primera vez por Einstein en sus ecuaciones de campo de la Teoría de la Relatividad.

            En esta ecuación en lenguaje coloquial lo que se expresa es que “el espacio le dice a la materia cómo debe moverse, y la materia le dice al espacio como debe curvarse” y la lamda indicada en el tercer término de la primera parte de la ecuación nos da el empuje de la aceleración (presión negativa) si es diferente de cero.

¿Cómo está afectando la energía oscura del universo hoy? Es responsable de la aceleración cósmica y equipos internacionales de astrónomos están trabajando para refinar las mediciones de esta aceleración..

Es tentador tratar de combinar las explicaciones de la materia oscura y la energía oscura, pero hay grandes diferencias entre los dos. La materia oscura “jala” y la energía oscura “empuja”

¿Qué consecuencia tiene la existencia de la energía oscura? Existía una contradicción entre los cálculos de la edad del universo utilizando la constante de Hubble (10.000 millones de años) y las observaciones de las estrellas más antiguas, la introducción de la energía oscura lleva la edad del universo a 13.700 millones de años más consistente con las observaciones de estrellas y con los datos del satélite WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe). Luego el Universo es más antiguo de lo que se creía.

En un universo en expansión acelerada dominará la energía oscura. Según se doble el universo la densidad de materia oscura se dividirá a la mitad mientras que la densidad de energía oscura permanecerá constante de acuerdo al modelo de constante cosmológica.

El fondo de microondas detectado por el WMAP indica que la geometría del Universo es plana, es decir, el Universo tiene la masa justa para que la expansión continúe indeterminadamente, pero una parte de esa materia es lo que no vemos, la materia oscura.

Con el descubrimiento de la energía oscura hoy se sabe que el destino del Universo ya no depende de la geometría del mismo, es decir, de la cantidad de masa que hay en él. En el principio, cuando todo era masa, la fuerza gravitacional freno la expansión pero cuando la energía oscura superó el efecto de la fuerza gravitatoria de la materia, comenzó la aceleración de la expansión.

El futuro último del Universo depende de la naturaleza exacta de la energía oscura. Si ésta es una constante cosmológica (la densidad media del universo es igual a la densidad crítica omega igual a 1), el futuro del Universo será muy parecido al de un Universo plano, similar a un universo abierto con densidad crítica omega menor que 1. El destino final de un universo plano o un universo abierto es la muerte térmica por enfriamiento (Big Freeze). En algunos modelos la densidad de la energía oscura aumenta con el tiempo, provocando una aceleración exponencial. La aceleración sería tan rápida que superaría las fuerzas de atracción nucleares y destruiría el Universo en unos 20.000 millones de años, en el llamado el gran desgarro o expansión eterna (Big Rip). En este modelo las galaxias y eventualmente todas las formas de vida, no importa cuánto de pequeñas sean, se disgregarán en partículas elementales desligadas. El estado final del Universo es una singularidad, ya que la tasa de expansión es infinita.

Ideas especulativas sobre el futuro del Universo nos llevan a que la energía oscura puede disiparse con el tiempo o incluso llegar a ser atractiva. Esta última abriría la posibilidad de que la gravedad todavía pueda conducir al Universo que se contrae a sí mismo en un "Big Crunch" hasta alcanzar la singularidad, para volver a explotar en un nuevo Big Bang.

Escenarios del tipo modelo cíclico del universo, sugieren que este podía ser el caso. Big Bang seguidos de Big Crunch y así de forma cíclica, en lo que sería un rebote (Big Bounce en lengua inglesa). Un universo cerrado, con densidad crítica omega mayor que 1 daría lugar a este tipo de modelos de fin del Universo.

Hoy por hoy las observaciones van en la dirección de que el universo es plano y por lo tanto se encamina aun fin del tipo Big Freeze o del tipo Big Rip.

Hay teorías de multiversos, teoría de cuerdas y teoría M, donde las leyes de la física pueden ser otras y por lo tanto estaríamos hablando de un universo local cuando nos referimos a su final, dado que este se basa en las leyes físicas que conocemos.

CONCLUSION

Para descifrar y entender la evolución del universo es necesario por un lado de observaciones precisas y por otro lado de un lenguaje adecuado para interpretar estas mediciones y es ahí donde la física teórica tiene un papel fundamental. El cosmos es el único laboratorio que delimita a las teorías en su conjunto, desde la microfísica (teoría cuántica de campos y partículas elementales) hasta la macro física (Relatividad General). La precisión de las mediciones en los últimos años ha confirmado que el cosmos empezó muy pequeño, caliente, homogéneo y casi isotrópico, y con el paso del tiempo ha ido creciendo, enfriándose y se han ido formado grumos de materia (estrellas, galaxias y cúmulos de ellas). Un gran éxito para el modelo de la Gran Explosión. Sin embargo, estas mismas observaciones han llevado a postular a la materia  y energía oscura. Por eso es importante el entendimiento de estas y se deja que sean el poder de las teorías físicas en conjunto con las futuras observaciones las que den la última palabra.

Bibliografía

[1] De Régules, S. (2003). El lado oscuro del universo. ¿Cómo ves?, N°. 58, (Pp. 10-15). México: UNAM

[2] Revistas: Scientific American; Science. y UNAM

[3] Universo Elegante. Brian Greene Editorial: BOOKET (2012)

[4] Diversos Videos Youtube : https://www.youtube.com/watch?v=FesZLUeffpE;

https://www.youtube.com/watch?v=LPoV_v7xL2w&list=PLwd8iAL6vswjlQoNJvY6JBYas6A4IWw3J

[5] The 4 Percent Universe: Dark Matter, Dark Energy, Richard Panek, Houghton Mifflin Harcourt (January 10, 2011)

REFLEXION

He elegido este tema porque desde adolecente me ha llamado la atención la física principalmente la teoría de la relatividad y más tarde la teoría quántica a nivel de divulgación científica primero y a últimas fechas la parte matemática (muy difícil). Lo que me fascina de los modelos matemáticos creados por el hombre es como puede teorizar y predecir el comportamiento de la naturaleza (mucho antes de que se lleve a cabo la comprobación experimental) y eso lo vemos desde las ecuaciones de campo de maxwell, la Teoría de la relatividad de Einstein, la Teoría Quántica y la búsqueda de la Teoría de Todo (unificación) como son la Teoría M de cuerdas o la Gravedad Cuántico. ¿Sera nuestro universo un “UNIVERSO MATEMATICO”

Para empezar a escribir me base primero en diversos artículos publicados en diversas revistas como lo son Scientific American, Science, en algunos video de youtube, y en libros de divulgación científica. No quise resumir la lectura de “El lado oscuro del universo ¿Cómo ves?” sino que quise investigar por mi cuenta  otras fuentes respetando el tema que plantea la lectura.