Una materia que aparece cuando no salen las cuentas y otras incógnitas

En una detallada simulación por ordenador se distinguen complejos filamentos de materia oscura (en negro) esparcidos como telarañas por el Universo. Los relativamente escasos grupos de materia bariónica aparecen en naranja. Créditos: KIPAC, SLAC, AMNH
Fecha de publicación
Autores
Annia Domènech

Encuentros en las fronteras de la astrofísica, la cosmología y la física de partículas en la XXXIII Canary Islands Winter School of Astrophysics. 

El tipo de materia que nos constituye y con el 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.

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. 

Partículas del modelo estándar
Partículas del modelo estándar de física de partículas. Créditos: Daniel Dominguez/CERN

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 Weizmann Institute of Science, “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.

CMB misión Planck
Las anisotropías del fondo cósmico de microondas (CMB) observadas por la misión Planck de ESA. El CMB es una imagen instantánea de la radiación más antigua del Cosmos, de cuando el Universo tenía sólo 380.000 años. Muestra pequeñas fluctuaciones de temperatura que corresponden a regiones con densidades ligeramente disímiles, representando las semillas de todas las estructuras futuras: las estrellas y las galaxias de hoy en día. 
Créditos: ESA/Planck Collaboration

¿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”.

Super-Kamiokande
El Super-Kamiokande es el mayor detector Cherenkov acuático. Operado por una colaboración internacional, uno de sus objetivos es elucidar las propiedades de los neutrinos. Créditos: Kamioka Observatory, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), The University of Tokyo

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. 

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.

Agujero negro
Primera imagen jamás obtenida de un agujero negro. El agujero negro, en el centro de la galaxia M87, está perfilado por la emisión de gas caliente girando a su alrededor bajo la influencia de una fuerte gravedad cerca de su horizonte de sucesos. La imagen fue tomada por el Event Horizon Telescope. Créditos: Event Horizon Telescope Collaboration

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.

La 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.

eBOSS
eBOSS cartografía la distribución de las galaxias y los cuásares cuando el Universo tenía entre 3 y 8 mil millones de años. Se trata de un momento crítico puesto que fue entonces cuando la energía oscura empezó a influir en la expansión del Universo. Créditos: Dana Berry / SkyWorks Digital Inc. and the SDSS collaboration

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”.  

¿Qué ocurrirá con la física si en treinta años si no se conoce lo que es la materia oscura y la energía oscura? Contestan los profesores de la Winter School.

Prof. Benjamín Grinstein, University of California-San Diego

La verdad es que no sabemos dónde buscar y no sabemos si allí donde estamos buscando es el lugar correcto para buscar, excepto que la tecnología nos permite hacerlo. Puede ser que la materia oscura no interaccione con nuestra materia excepto gravitacionalmente. En este caso, nunca podremos verla directamente, excepto como la observamos ahora a través de la rotación de las galaxias y los cúmulos globulares

Si en treinta años no la hemos visto, la pregunta es cuándo nos damos por vencidos. Está claro que existe y va a ser más y más claro cuáles son sus efectos y vamos a verla con más detalle en más objetos astronómicos.

NGC 1052
Según algunos estudios, la galaxia NGC 1052-DF2 carece de gran parte o de la totalidad de su materia oscura. El color de sus cúmulos globulares indicaría que tiene 10.000 millones de años y se encuentra a 65 millones de años luz. Créditos: NASAESA, and P. van Dokkum (Yale University) 

Si no podemos observarla directamente el problema no es falta de creatividad para seguir buscándola de otras formas, sino convencer a la gente que financia que tenemos que continuar. También a los jóvenes investigadores de que la pregunta es interesante y de que ellos pueden encontrar la respuesta. Y esto después de cuarenta años buscando sin encontrar nada.

Con la energía oscura estamos más perdidos. Yo no he visto ninguna buena idea para estudiar su naturaleza; sólo se aborda a través de sus efectos y la cuestión es si alguien tendrá una idea para hacer pruebas directas de su naturaleza. Pienso que el progreso vendrá de la mano de la modelización.

 

Prof. Kfir Blum, Weizmann Institute of Science – Rehovot

Pienso que muy probable que no se detecte materia oscura en treinta años, pienso que es muy probable que no se consiga en mil años. Es posible que no dispongamos de la tecnología matemática o experimental para entender lo que es.

¿Qué pasará con la física? La materia oscura es un problema difícil, pero podríamos tener suerte y resolverlo en unas décadas, sin embargo no hay ninguna razón para pensar ahora que esto será así. La energía oscura, como la materia oscura, es una incógnita fascinante en física. Tenemos suerte de tener estos retos tan increíbles por resolver. Como la empresa puede ser larga, de mientras hay que disfrutar del viaje resolviendo otras cuestiones menos complejas por el camino.

Por ejemplo, los cúmulos globulares están distribuidos siguiendo un cierto patrón en algunas galaxias. Creo que existe la posibilidad de entender este patrón, y es razonable pensar que esto haría que sepamos más sobre la materia oscura. Incluso si no es el caso, estaremos progresando. Lo que queremos es entender objetos, sistemas, no escribir teorías inútiles sobre la materia oscura.

DF2
Imagen ultraprofunda de la galaxia enana difusa NGC1052-DF2 tomada con el telescopio Gemini y procesada por el equipo de bajo brillo superficial del IAC. En la imagen pueden apreciarse muchas fuentes puntuales de luz encima de la galaxia. Muchos de esos objetos son cúmulos globulares, que permiten entender mejor el contenido y distribución de la materia oscura de estas galaxias. Créditos: Giulia Golini (IAC) y colaboradores

No me preocupa qué ocurrirá en la física en treinta años. Espero que no nos dediquemos sólo a inventar nuevas teorías fútiles. Nuestro trabajo consiste en resolver preguntas de física. Mientras nos dediquemos a esto, tenemos que ser conscientes de la cuestión de la materia oscura, la solucionemos en treinta años o en mil. Cada uno de nosotros debe solucionar incógnitas. Nada le ocurrirá a la física si no se sabe lo que es la materia oscura.

 

Prof. Olga Mena, IFIC

Pese a que no conozcamos la naturaleza fundamental de la materia oscura y la energía oscura, seguro que sabremos mucho más que hoy. Son preguntas muy importantes que uno no debe dejar de lado hasta que no se obtenga la solución perfecta.

El cáncer no se habrá erradicado dentro de treinta años pero se va a continuar investigando y por el camino se pueden hacer descubrimientos fantásticos, con otros beneficios. Lo mismo en el campo de la materia oscura y la energía oscura. Espero que aparezca algún tipo de señal, pero aunque no fuera así habrá avances. Además se van a construir grandes estructuras tecnológicas como telescopios o superaceleradores, que generarán mucha información, muchos datos. Habrá que ver cómo gestionar todos esos datos, que van a superar el tráfico mundial actual de Internet.

3D LHC
Corte en 3D del dipolo del Large Hadron Collider (LHC). Créditos: 2014 CERN/Dominguez, Daniel: CERN

Y creo que la física tiene que seguir allí, y que va a seguir allí. Entender el origen y el destino del universo son preguntas fundamentales que tenemos que afrontar y resolver, o tratar de resolver o acotar al menos. El futuro de la física no está en peligro.

 

Prof. Vitor Cardoso, CENTRA/IST - Lisboa & Niels Bohr Institute – Copenhaghen

Es embarazoso porque llevamos con esto 50-70 años sin que hayamos progresado. Puede que no seamos lo suficientemente buenos, necesitamos que un nuevo Einstein llegue y nos aporte una solución inesperada. Solía pensar que estamos haciendo ciencia de manera equivocada, abordamos pequeños problemas, siempre preocupados por nuestra carrera y nuestras publicaciones. Pensaba que tendríamos que adoptar una actitud más noble con la ciencia. La respuesta vendrá de alguien que no esté obsesionado por publicar un determinado número de artículos cada año.

También podría ser que el Universo no nos esté facilitando la vida y que estemos haciendo lo que debemos, analizando todas las opciones e intentando descartarlas, por ejemplo ¿es la materia oscura una partícula de interacción débil? Si en treinta años no descubrimos nada, no pienso que afecte al modo en el cual hacemos investigación ni que cambie nada.

La percepción de la gente dependerá de cómo lo expliquemos, se puede comprender que simplemente es muy difícil. También está el hecho de se han invertido millones de euros en tecnología, hoy en día se están construyendo detectores que serán utilizados por la siguiente generación en las próximas décadas. Puede ser que la sociedad opine que es demasiado dinero para invertir en algo que no se sabe si funcionará. Pienso que sería una sociedad muy pobre la que escogiera esta opción, pero el peligro es real.

Higgs
El descubrimiento del bosón de Higgs tuvo lugar tras medio siglo de búsqueda y completó el modelo estándar de física de partículas. El evento fue registrado con el detector CMS del Large Hadron Collider (LHC) en 2012 en un centro protón-protón con una energía de masa de 8 TeV. Presenta las características esperadas al decaer el bosón de Higgs en un par de fotones (líneas amarillas punteadas y cilindros verdes). Créditos: 2012 CERN/Collaboration, CMS 

 

Prof. Matteo Viel, SISSA – Trieste

Podría haber candidatos para materia oscura como los campos escalares que serían de muy difícil detección tanto en laboratorios como en el Universo. Por ejemplo podrían haber regiones del espacio de parámetro muy difíciles de estudiar, incluso dentro de treinta años. Si es el caso, no hay detección de materia oscura en los próximos treinta años, pienso que deberíamos considerar más seriamente la modificación de la gravedad a las escala de las estructuras cósmicas.

Abell 2744
En estas imágenes tomadas por el telescopio espacial James Webb de las regiones externas del cúmulo de galaxias gigante Abell 2744, aparecen dos de las galaxias más lejanas detectadas hasta el momento. Las galaxias no se encuentran dentro del cúmulo sino a miles de millones de años luz detrás. La galaxia 1 existía 450 millones de años después del Big Bang; la galaxia 2, 350 millones de años después del Big Bang. Ambas son próximas en tiempo del Big Bang, que tuvo lugar hace 13.800 millones de años. Créditos: NASA, ESA, CSA, Tommaso Treu (UCLA). Procesamiento de la imagen: Zolt G. Levay (STScI)

Respecto a la energía oscura, creo que en los próximos cinco años habrá una serie de experimentos claves que nos dirán si la energía oscura es dinámica o una constante cosmológica. Si se encuentra evidencia de un comportamiento dinámico , esto sería un descubrimiento extraordinario que daría pie a más estudios teóricos para interpretar los resultados. Sin embargo, si en treinta años no descubrimos energía oscura dinámica y no encontramos ninguna conexión entre la constante cosmológica y otras teorías fundamentales, es probable que “aceptemos” esto como la condición inicial o la realización de la teoría de Einsten de que el Universo es autocontenido.

Agradecimientos: a todos los profesores de la Winter School por compartir su conocimiento, y desconocimiento, sobre el Universo.

Más información

Nota de prensa e imágenes

https://www.iac.es/es/divulgacion/noticias/xxxiii-canary-islands-winter-school-encuentros-en-las-fronteras-de-la-astrofisica-la-cosmologia-y-la

Web de la Escuela (en inglés)

https://research.iac.es/winterschool/2022/

VOCES - Malcolm Longair

https://www.youtube.com/watch?v=sYpTuPoGjAY

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