El tipo de materia con la que estamos familiarizados constituye únicamente el 5% del Universo. El resto es el denominado Universo oscuro, compuesto por las llamadas materia oscura (27%) y energía oscura (68%), dos grandes desconocidas.
Este año la Winter School of Astrophysics del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) ha reunido a especialistas de tres campos fundamentales de la física – la astrofísica, la cosmología y la física de partículas – que confluyen con el nombre de astrofísica de partículas en el estudio de una serie de problemas fundamentales: la naturaleza de la materia oscura, la naturaleza de la energía oscura, y otros interrogantes asociados como el modelo estándar de física de partículas y sus posibles inconsistencias. La Escuela propone abordar estas cuestiones de modo interdisciplinar, fomentando la colaboración entre distintos modos de avanzar en el conocimiento.
Qué estudian la cosmología y la física de partículas
La cosmología estudia el universo observable como un todo utilizando las herramientas de la astrofísica. Gracias a sus observaciones, se puede acceder a datos a partir de los que se infiere que la expansión del Universo se está acelerando. Ciertos sistemas astrofísicos (supernovas, galaxias enanas, estrellas de neutrones…) dan indicaciones sobre cuál podría ser la naturaleza de la materia oscura y de la energía oscura, lo que estaría vinculado a nuevos conocimientos en física de partículas.
La física de partículas, por su parte, indaga en la naturaleza a las escalas más pequeñas a las cuales el ser humano ha accedido, particularmente con los aceleradores de partículas construidos en tierra. Cada vez que se reducen esas escalas, se exploran energías más altas que corresponden a componentes más fundamentales en el Cosmos. El universo joven, un plasma extremadamente denso, alcanza niveles de energía muy superiores a los que puedan adquirirse en un acelerador de partículas, por esto es un laboratorio ideal.
Pese a las peculiaridades de cada disciplina, la física detrás es siempre la misma, lo mismo que las matemáticas. Como precisa el Profesor Kfir Blum, del Instituto de Ciencias de Weizmann, “el objetivo de los científicos es reducir lo que percibimos a una explicación básica de la realidad que pueda aplicarse a cualquier sistema, independientemente de que se trate del universo entero, de una galaxia o de un experimento de laboratorio. La cosmología, la astrofísica y la física de partículas utilizan una jerga y una terminología distintas, pero esto no tiene importancia. Si entiendes de qué habla la gente, siempre hablan de lo mismo: conservación del momento de energía, relatividad general…“.
El Universo, un gran desconocido
El Universo se está expandiendo desde su origen hace aproximadamente 13.800 millones de años. Al principio, era un plasma muy caliente. Cuando más joven es el Universo, más concentrado y denso, más energético. Toda la materia y la antimateria se concentran en un punto. Si las leyes conocidas rigieran el Universo desde su inicio, la materia tendría que haberse aniquilado con la antimateria y el Universo sería hoy únicamente radiación. Se desconocen las leyes físicas que podrían haber producido la asimetría primordial que ha hecho posible que nosotros, y todo lo que percibimos directamente, existamos.
¿Cómo surgieron las estructuras a partir de ese desencuentro?
Sabemos que en el Universo hay galaxias, cúmulos de galaxias, galaxias enanas… El modelo estándar, el más aceptado actualmente y que se corresponde con las observaciones, describe que en el Universo primero se formaron pequeños objetos y luego, debido a la atracción por gravedad, estructuras mayores. Cuando se retrocede en el tiempo, en la primera época, se ve como las pequeñas estructuras se aglomeran en grandes estructuras. Las galaxias brillan, pero el medio intergaláctico, la materia que se encuentra entre las galaxias, no: contiene materia oscura así como elementos químicos como el hidrógeno. El profesor Matteo Viel (SISSA – Trieste), cuenta que “utilizamos procesos atómicos en esos filamentos para entender la distribución de la materia oscura en el Universo y el proceso de formación de estructuras”. Añade que “en cierto modo el universo es el laboratorio utilizado para probar teorías y modelos”.
Los neutrinos son unas partículas que se mueven muy rápidamente y apenas interactúan con otros elementos, su importancia radica en que, a pesar de ser extremadamente abundantes, se desconoce en detalle el papel que juegan en este marco. Los neutrinos procedentes de fuentes astrofísicas como supernovas, han viajado grandes distancias y pueden ser sensibles a fenómenos físicos y dar información sobre el Universo. Su masa es muy pequeña, comparada con la del resto de las partículas fundamentales. La profesora Olga Mena (IFIC) habla de los neutrinos como de “partículas de materia oscura calientes” y subraya su importancia “en la comprensión de la jerarquía en la física de partículas, por qué las masas de las partículas son distintas”.
La conexión entre la cosmología y la física de partículas empieza con el hallazgo del fondo cósmico de microondas en 1964: la radiación generada cuando el universo tenía 380.000 años y los fotones pudieron por primera vez viajar libremente hasta nosotros. A partir de entonces, el Big Bang pasa a ser la versión aceptada de la formación y evolución del Universo y el modelo estándar el que mejor responde a las observaciones realizadas.
Qué es la materia oscura
Las ecuaciones de Newton explican cómo la Tierra gira en torno al Sol y permiten calcular la masa de estos cuerpos. Con las galaxias ocurre lo mismo, se conoce su masa porque se puede estimar el número de estrellas que las componen, la masa estelar total y la velocidad de rotación de la galaxia. En los años setenta del siglo pasado los científicos constataron que las cuentas no cuadraban, el estudio de la dinámica de las galaxias mostraba que había que añadir una cierta cantidad de masa que no había sido detectada para que las observaciones tuvieran sentido.
Se considera que la materia oscura corresponde al 27% del Universo, ni emite ni absorbe luz y sólo se percibe por sus efectos gravitatorios en su entorno. El nombre de materia oscura se relaciona con el desconocimiento de su naturaleza y la imposibilidad de verla directamente. Una de las explicaciones propuestas para explicar esa masa se asoció con agujeros negros primordiales. Actúa como materia “normal” y modela la evolución de las estructuras del Universo por gravedad. Tanto los modelos teóricos como las observaciones corroboran su existencia. Su efecto puede reproducirse utilizando supercomputadores. Según los parámetros que se introducen en el experimento, la estructura evoluciona de forma distinta. Estar, está, lo que nos gustaría saber es qué es.
En la historia de esta desconocida se ha barajado la posibilidad de que la formaran estrellas sin brillo, planetas, trozos de hielo… Con el tiempo, se ha sabido que no es materia ordinaria como la que constituye todo lo que conocemos, incluidos nosotros mismos: no está formada por protones, electrones, neutrones… ni por otras partículas más fundamentales del modelo estándar de la física de partículas. Hoy en día el modo en qué se entiende mejor es como masa de “algo” que todavía está por identificar. Los “ladrillos” de la materia oscura serían partículas elementales todavía no descubiertas. La física de partículas y los experimentos de laboratorio tienen mucho que aportar sobre este tema.
Qué se entiende por energía oscura
La energía oscura es harina de otro costal. Correspondiente en principio al 68% del Universo, juega un rol en la expansión del Universo. Dicho de otro modo, la causa de la expansión acelerada del Universo se conoce como energía oscura. Se ignora su naturaleza y sus propiedades son, como poco, inusitadas.
La energía oscura se corresponde con la antiguamente llamada constante cosmológica, que fue introducida por Albert Einstein en sus ecuaciones gravitatorias para explicar un universo estático. Más tarde renegó de ella cuando Edwin Hubble mostró que el Universo está en expansión, pero fue recuperada en los años noventa y dos mil como un modo para explicar la aceleración de esa expansión. Su medida es astronómica, por ejemplo mediante observaciones que muestran como supernovas muy distantes se alejan entre ellas.
Su denominación, quizás resultado de una apuesta de marketing en detrimento de “constante cosmológica”, es extraño y todavía más confuso que en el caso de la materia oscura. Las predicciones de energía oscura son muy superiores a los valores medidos. No se encuentra ninguna explicación que coincida con lo que parece ser. Es un enigma todavía mayor que el de la materia oscura. El profesor Benjamin Grinstein (University of California-San Diego) defiende que “cuando empecemos a poder entender por qué la energía oscura se encuentra en una cantidad tan peculiar, va a haber alguna dinámica asociada con eso. Y esa dinámica es lo que se va a poder probar. Uno empieza por querer entender algo, y una vez que tienes una teoría que lo explica, predice muchas otras cosas. Es lo que pasó con las ondas gravitacionales”.
La materia oscura y la energía oscura no actúan igual, su influencia varía según el tamaño de los objetos: en los más pequeños, como una galaxia, la energía oscura apenas actúa, mientras que la materia oscura sí. A mayores distancias, la energía oscura comienza a estar presente y a escalas cosmológicas las dos compiten en importancia. Ambas constituyen el Universo oscuro, el 95% del Universo, un desconocido.
Un viaje cognitivo sin fin
Entender nuestro universo es algo tan complejo como fascinante. Conocer la naturaleza de la materia oscura y la energía oscura podría dar indicaciones sobre su futuro, si se va a seguir expandiendo, si va llegar un momento en el que va a colapsar…
Conocer qué es lo que vemos o cuya presencia detectamos puede llevar siglos. Un ejemplo paradigmático es la galaxia Andrómeda, visible en el cielo a simple vista, sin necesidad de instrumentos ópticos. En el hemisferio norte, hay registros de su presencia desde hace mil años, pero su naturaleza no se conoció hasta que la tecnología avanzó lo suficiente para que los científicos pudieran observarla con el telescopio adecuado y comprender que “utilizando” algunas estrellas podía conocerse la distancia a la que se encontraba y consecuentemente su tamaño.
Y qué decir del Sol, nuestra estrella. Antaño se pensaba que era una bola de fuego que perdía energía gravitatoria. Con esa explicación, no se entendía cómo podía todavía existir ya que las estimaciones de la duración de la Tierra eran superiores a las del Sol, cuya vida era supuestamente más corta. Carecía de sentido. La gente no sabía que el Sol vive lo que vive porque dispone de una fuente de energía interna nuclear.
El profesor Vitor Cardoso (CENTRA/IST – Lisboa & Niels Bohr Institute – Copenhaghen) reflexiona: “La ciencia es una aventura que es útil en sí misma. Reflexionamos sobre cosas, encontramos modos para racionalizar el universo que vemos, aunque no entendamos cómo funciona, aunque nunca lleguemos a entenderlo”.
