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Qué es la Materia Oscura y  cómo influye en el Universo

Creada13-11-2017
Modificada20-11-2017
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Reseña del Documental Materia Oscura y Energía Oscura de la serie El Universo

Materia Oscura y Energía Oscura

La Materia Oscura no se parece a nada que hayamos visto en la Tierra. Miles de Millones de partículas de Materia Oscura atraviesan cada segundo nuestros cuerpos y el propio planeta Tierra sin que seamos conscientes de ello.

No emiten luz, ni ninguna onda electromagnética, ni la reflejan ni la ocultan, por lo que son invisibles y transparentes. Tampoco interfieren con los campos electromagnéticos de los átomos, a los que atraviesan sin afectarlos. Son intangibles, ni tocan ni se pueden tocar.

No interfieren de ninguna forma conocida con la Materia Ordinaria, más que con su fuerza gravitatoria, pero a escala humana esos efectos son inapreciables. Sólo a escala galáctica se puede deducir, más que notar, su presencia.

El Descubrimiento de la Materia Oscura

Sobre los años 1.920 la tecnología permitió construir telescopios más eficaces para observar el firmamento. Usándolos, Edwin Hubble descubrió que pequeñas manchas que los astrónomos anteriores habían visto antes y pensaban que eran nebulosas, resultaron ser galaxias similares a la Vía Láctea pero tan lejanas que hasta entonces no habían sido identificadas como tales.

El astrónomo Fritz Zwicky estudió el Cúmulo de Galaxias Coma e hizo una estimación de su masa. Entonces descubrió que cada una de las galaxias de ese cúmulo tenía un movimiento individual diferente, pero tan rápido que las galaxias deberían escapar del cúmulo alejándose entre sí. Sin embargo se mantenían orbitando el centro gravitatorio del cúmulo, sujetas por una fuerza superior a la de sus propias fuerzas gravitatorias.

En 1.933 Zwicky calculó que debería haber 160 veces más masa que la del conjunto de galaxias visibles. A la masa que no se podía ver la llamó Materia Perdida.

Fue un descubrimiento revolucionario, pero ampliamente ignorado por la comunidad científica de su época.

Cincuenta años más tarde, la astrónoma Vera Rubin estudiaba el movimiento de estrellas individuales dentro y alrededor de lejanas galaxias.

Según las leyes descubiertas por Newton y Kepler, la velocidad de un cuerpo en órbita depende de la masa del cuerpo central y de la distancia a la que orbita. Si el Sol fuera más pesado, los planetas deberían orbitar con más velocidad. Y los planetas se desplazan con más rapidez mientras más cerca estén del Sol.

Pero Rubin observó que en las galaxias no se cumplía esa ley, sino que las estrellas de la periferia orbitaban a una velocidad similar a las que recorrían una órbita más cercana al centro de la galaxia.

La única forma en que esto podría ocurrir era que existiera un halo de materia más masivo que la propia galaxia pero que no podía ser observada por procedimientos ópticos.

Rubin estimó que debía haber 10 veces más Materia Oscura que Materia Visible.

Desde entonces se ha observado el mismo fenómeno en todas las galaxias estudiadas y, esta vez sí, la comunidad científica sí ha admitido que podría existir la Materia Oscura.

Pero ¿cómo se puede detectar algo que no emite luz, ni la refleja ni la oculta?

Viendo lo Invisible

Según la Teoría de la Relatividad de Einstein, la Masa no afecta directamente a la luz. Lo que hace la Masa es deformar el tejido espacial de tal forma que cuando un rayo de luz viaja en línea recta por un espacio deformado su trayectoria es desviada. La teoría fue confirmada al observar durante un eclipse una estrella junto al disco solar, cuando en realidad, según los cálculos astronómicos, debería estar oculta tras el borde del Sol.

Desviación de la Luz de una Galaxia por Materia Oscura

No podemos ver la Materia Oscura pero, si existe, debería desviar los rayos de luz que llegan hasta nosotros hasta hacernos ver una galaxia en una dirección ligeramente desviada de su posición real. Y no sólo eso, debido al tamaño de las galaxias la imagen que se forma en los telescopios puede estar deformada, curvada, como si la estuviéramos contemplando a través del borde de una lente.

Los astrónomos han buscado en el cielo este tipo de lentes gravitacionales, y las han encontrado alrededor de algunas galaxias interpuestas en el camino de galaxias más lejanas. Pero a veces también las han encontrado sin que en medio exista ninguna galaxia visible.

La búsqueda de lentes gravitacionales es la herramienta más eficaz para detectar masas de Materia Oscura y ha permitido trazar un mapa de su distribución en el Universo.

Y gracias a ello hemos averiguado que la mayor parte de la masa de las galaxias es Materia Oscura. La Materia Ordinaria se acumula a su alrededor y en su interior formando las galaxias visibles.

¿Qué es la Materia Oscura?

Una vez confirmada su existencia, los científicos intentaron averiguar qué era, de qué estaba compuesta la Materia Oscura.

Inicialmente se pensó que podría tratarse de Agujeros Negros, que también generan lentes gravitacionales y se pueden encontrar tanto en el corazón de las galaxias, en su interior, entre las estrellas que la orbitan, o incluso en el vacío del espacio intergaláctico. Pero los cálculos indicaron que no podía haber tantos Agujeros Negros para explicar la cantidad de Materia Oscura existente.

Se barajó que pudiera estar compuesta de Estrellas Enanas, muy poco luminosas y más abundantes que los Agujeros Negros. O Estrellas de Neutrones.

Descartadas por diversos motivos esas hipótesis, se pensó en partículas subatómicas diminutas pero muy abundantes, como neutrinos o axiones, pero todas las hipótesis fallaban al intentar explicar su mayor concentración en determinadas zonas mientras otras parecían estar libres de la presencia de Materia Oscura.

Descartadas todas las posibilidades ofrecidas por el Modelo Estándar se propuso una hipótesis basada en la existencia de un nuevo tipo de partícula, nunca antes encontrado ni deducido, pero que reunía las características que se habían observado en la Materia Oscura.

Esas hipotéticas partículas serían lentas, no viajaban a la velocidad de la luz, serían muy masivas y no interaccionaban con las partículas de Materia Ordinaria. Se las llamó Partículas Masivas de Interacción Débil: WIMP, por sus iniciales en inglés: "Weakly Interacting Massive Particles".

En Busca de la Materia Oscura

Según la hipótesis, toda nuestra galaxia está inmersa en una Galaxia de Materia Oscura, invisible e intangible, y miles de millones de WIMP atraviesan nuestros cuerpos y toda la Tierra cada segundo.

Para intentar detectar al menos una mínima partícula de Materia Oscura se ha diseñado y construido un Detector en Soudan, Minnesota, a 320 Km de las luces de cualquier ciudad, en el fondo de una mina de Hierro abandonada, a 740 m de profundidad.

Allí se han instalado seis pastillas de Germanio puro del tamaño de la palma de la mano recubiertas con sensores de temperatura y enfriadas hasta casi el Cero absoluto con el fin de que los átomos de Germanio no vibren y se mantengan congelados.

Cuando una partícula WIMP los atraviese, lo más seguro es que no ocurra nada, pero existe una probabilidad de 1 entre un millón de que choque precisamente con el núcleo de un átomo de Germanio haciéndolo vibrar, lo que generaría el calor suficiente para ser detectado.

El sistema funciona perfectamente, detecta colisiones de núcleos de Germanio muy a menudo, pero todas corresponden a choques de neutrinos o rayos cósmicos que también atraviesan sin dificultad los casi 800 m de tierra hasta la superficie.

Tras dos años de búsqueda, aún no se ha podido detectar ni una sola partícula WIMP.

Origen de la Materia Oscura

Filamentos en el UniversoSe cree que la Materia Oscura se creó en el momento del Big Bang, incluso antes que la Materia Ordinaria, y al expandirse el Universo se distribuyó por él dejando un rastro de zonas densas, burbujas vacías y filamentos masivos.

La Materia Ordinaria se agrupó alrededor de las zonas más masivas haciendo que todas las galaxias se formaran allí, adaptándose como los ladrillos de arcilla y las paredes de yeso al armazón de acero de los edificios.

Los mapas realizados gracias a la observación de lentes gravitacionales a diversas distancias y, por tanto, en distintas épocas a lo largo de la Historia del Universo, han permitido calcular la cantidad de Materia Oscura existente.

El 23% del Universo es Materia Oscura. La Materia Ordinaria es tan solo el 4%.

¿Y el 73% restante?

La Expansión del Universo

En 1.929 Edwin Hubble descubrió que las galaxias más lejanas se alejaban de la Vía Láctea con más rapidez que las más cercanas.

Desde que se descubrió que el Universo se está expandiendo, los científicos asumieron que en su origen toda la materia del Universo debía estar reunida en un solo lugar y que debido a una Gran Explosión, un Big Bang, comenzó a expandirse por el Universo.

También asumieron que la gravedad de las galaxias haría que esa expansión se fuera frenando, que la expansión sería cada vez más lenta. Tal vez incluso que se frenaría del todo antes de que comenzara a contraerse hacia un colosal Big Crunch.

Para confirmarlo y medir en qué proporción se estaban frenando había que medir la distancia a las galaxias y cotejarlas con su Corrimiento al Rojo.

Para calcular las distancias a las galaxias se usó el procedimiento de medir la luminosidad de Supernovas de tipo 1A, que brillan siempre con la misma intensidad por lo que si vemos una más brillante que otra podremos deducir que está más cerca. Y conociendo la distancia de una, aplicando la Ley de la Inversa del Cuadrado, podremos calcular fácilmente esa distancia.

Las galaxias más lejanas las vemos en una época mucho más antigua, y eso nos permite ver el pasado del Universo. Mirando galaxias lejanas y cercanas, antiguas y recientes, podemos comparar la historia antigua y reciente del Universo.

Y observando el Corrimiento al Rojo de su luz podríamos calcular a qué velocidad se alejan de nosotros actualmente y a qué velocidad lo hacían en el pasado, con lo que sabríamos exactamente el índice de desaceleración.

La sorpresa fue que no se estaban frenando. Al contrario, se estaban acelerando.

Pero para acelerar una galaxia, por muy leve que sea esa aceleración, hace falta una cantidad enorme de energía. ¿De dónde procedía esa energía?

Incapaces de encontrar una explicación coherente a este enigma, los astrónomos pensaron que se trataba de una Energía Oscura, existente desde el Big Bang, siempre con una intensidad constante, pero que durante los primeros 9 Ga del Universo fue siempre menor que la fuerza gravitatoria ejercida por la Materia, Oscura u Ordinaria. Pero cuando el Universo alcanzó un tamaño mucho más grande la fuerza gravitatoria fue menor y llegó un momento en que fue menor que la fuerza de la Energía Oscura, y desde entonces, hace unos 5 Ga, comenzó a actuar haciendo que las galaxias se acelerasen.

La Constante Cosmológica de Einstein

Sorprendentemente, la Teoría de la Energía Oscura había sido propuesta 80 años antes por Albert Einstein, cuando los medios ópticos aún no eran lo bastante precisos para confirmarla.

Einstein desarrolló sus fórmulas aplicándolas a la distribución de la masa en el Universo y sus fórmulas le llevaron siempre a la conclusión de que el Universo debía estar Expandiéndose o Contrayéndose. No podía permanecer estático.

En aquella época se pensaba que el Universo era sólo la Vía Láctea y que su tamaño era constante. Al no coincidir sus fórmulas con las observaciones añadió un parámetro llamado Constante Cosmológica con el cual las fórmulas llevaban a un Universo Estático.

Cuando Hubble demostró que el Universo SÍ se estaba expandiendo, Einstein descartó su propia teoría afirmando que había sido el mayor error de su vida.

El reciente descubrimiento de que la Expansión se está acelerando ha demostrado que Einstein tenía razón, y que la Constante Cosmológica describe precisamente el funcionamiento de la Energía Oscura.

En realidad, el mayor error de Einstein fue creer que había cometido un error.

El Fin del Universo

Si la Teoría de la Energía Oscura es cierta, eso significa que el Universo se expandirá cada vez más rápido, en una función exponencial. Dentro de billones de años las galaxias se alejarán tan rápido entre sí que serán invisibles las unas de las otras y al cabo del tiempo la Energía Oscura será tan intensa que comenzará a disgregar las Galaxias, los Sistemas Solares, Las Estrellas, los Planetas y hasta los mismos Asteroides y Átomos hasta dejar un Universo vacío y congelado en el que no existirá NADA.

Será el Fin del Universo

En mi opinión

Muy buen documental, quizás el que mejor explica lo que son y cómo nos afectan la Materia y la Energía Oscuras.

Aunque debo indicar que en algunas cosas no estoy de acuerdo.

Los Brazos Espirales de las Galaxias

Sobre la investigación de Vera Rubin acerca de la velocidad de las estrellas dentro de las galaxias, hace años hice un estudio y escribí un artículo en el que decía que al calcular la órbita de una estrella había que descartar la masa galáctica exterior a su órbita. Eso haría que la velocidad de las estrellas en la galaxia dependería de la distribución de su masa y no se ajustaría a las leyes de Newton y Kepler, con la consecuencia de que se podrían encontrar estrellas en distintas distancias orbitando a la misma velocidad.

Posteriores razonamientos me han llevado a la conclusión de que en varias cosas de ese artículo estaba equivocado, pero no en lo esencial, que hay que descartar la masa galáctica exterior a la órbita estelar.

Ver Los Brazos Espirales de la Galaxia

La Expansión Decelerada del Universo

Hubble evaluó a qué velocidad se alejaba cada galaxia en función de la distancia y comprobó que era una función constante. Una galaxia situada a doble distancia se alejaba a doble velocidad. Con estos datos estableció lo que él llamó la Constante de Hubble que cifró inicialmente en más de 400 Km/s·MegaParsec.

Posteriormente, conforme los telescopios han ido mejorando y se han corregido valores y distancias que antes habían sido mal calculados, la Constante de Hubble ha ido recalculándose y actualmente se piensa que su valor es de unos 71 Km/s·MegaParsec. Como yo prefiero usar el MegaAñoLuz, la cantidad sería 71/3'26=21'78 Km/s·Mal. Mis propios cálculos dan un resultado de 21'74 Km/s·Mal, lo que no es mala aproximación.

Si la Constante de Hubble fuera realmente constante y la misma a lo largo de toda la historia del Universo, eso permitiría calcular las distancias a las galaxias a partir del Corrimiento al Rojo de su luz, pero...

Desde Hubble, los astrónomos han visto e imaginado el Universo como una Gran Explosión, un Big Bang, y razonaron que, como en toda explosión, las galaxias irían frenando atraídas por la Gravedad de las demás galaxias.

Por el año 1.985 yo ya llevaba tiempo haciendo mis pinitos en esto de la cosmología y a partir de una serie de razonamientos llegué a la conclusión de que la Expansión del Universo debía ser constante, en contra de la opinión mayoritaria de la comunidad científica.

La Expansión Acelerada del Universo

En 1.997 la Comunidad Científica cambió de opinión. A partir de las observaciones de la Luminosidad de Supernovas 1A y su Corrimiento al Rojo se llegó a la conclusión de que la Expansión del Universo no se estaba frenando, sino acelerando.

El hecho de que TODA la Comunidad Científica hubiera estado equivocada hasta entonces me planteó la duda de que tal vez también se equivocaran ahora, pero en aquel momento no veía en qué podían haberse equivocado para llegar a una conclusión que yo seguía considerando errónea.

Con el tiempo llegué a conocer y comprender en qué se habían equivocado.

La Ley de la Inversa del Cuadrado

Todas las Supernovas 1A emiten exactamente la misma cantidad de luz. Si nosotros vemos una que brilla más que otra, es porque está más cerca.

Si conocemos con exactitud la distancia a una Supernova 1A, usando la Ley de la Inversa del Cuadrado podemos calcular con precisión la distancia a cualquier otra Supernova 1A. Y si la Velocidad de Expansión del Universo fuera constante, la gráfica de distancias y la del Corrimiento al Rojo de las galaxias coincidirían perfectamente.

Los astrónomos pensaban que las galaxias se estaban frenando, y según esa hipótesis pensaron que la gráfica del Corrimiento al Rojo se desviaría de la gráfica de las distancias... hacia abajo. Pero cuando pusieron en el gráfico las distancias observadas vieron con sorpresa que la desviación era hacia arriba.

Brillo de Supernovas 1A

Y de ahí llegaron a la conclusión de que la expansión del Universo no se estaba frenando.

¡Se estaba acelerando!

El Fallo del Razonamiento

Los astrónomos consideraron que la Ley de la Inversa del Cuadrado es exacta y, por tanto, cualquier desviación DEBE ser a causa de la variación del Corrimiento al Rojo. Es decir, que es la expansión del Universo la que varía con el tiempo.

Las leyes de la Geometría nos dicen que la Ley de la Inversa del Cuadrado es exacta, no puede haber nada que la altere...

¡En un Espacio Plano!

Pero ¿y si el Espacio no es plano, sino que está curvado?

Desde hace décadas se describe la expansión del Universo como si las galaxias estuvieran en la superficie de un globo que se está hinchando. Mucha gente imagina el Universo como el interior del globo, pero eso no es correcto porque entonces el Universo sería distinto según en qué dirección mirásemos.

El Universo NO ES un espacio plano de tres dimensiones, sino la hipersuperficie 3D de una hiperesfera de 4 dimensiones. Nosotros vivimos en la hipersuperficie, a la que nosotros, seres 3D, vemos como un volumen. Todas las galaxias del Universo están en esa hipersuperficie. Y como la hiperesfera se está expandiendo, nuestro Universo también lo hace.

Así, dos galaxias pueden estar detenidas y a pesar de ello la distancia entre ellas está aumentando.

Y una consecuencia de esta imagen es que la Ley de la Inversa del Cuadrado sólo funciona con relativa exactitud a pequeñas distancias, pero mientras mayores son las distancias el brillo de las galaxias disminuye más que lo que indicaría la Inversa del Cuadrado.

En varios artículos de esta página he explicado este mismo razonamiento e incluso he programado una Calculadora de Observaciones Galácticas con la que se puede evaluar exactamente en cuánto se desviaría la Ley de la Inversa del Cuadrado, y sin poder estar seguro, pues no dispongo de los datos exactos y precisos, la gráfica de esa desviación se corresponde bastante bien con la desviación que los astrónomos creen haber observado en la aceleración de la expansión del Universo.

Mi conclusión es que la Expansión del Universo es constante y que las distancias a las galaxias se pueden calcular indistintamente a partir de su Corrimiento al Rojo o del brillo de las Supernovas 1A pero aplicando la Ley de la Inversa del Cuadrado, no en un espacio plano, sino en un espacio curvado, realizando la corrección por medio de fórmulas de Trigonometría Esférica.

Y si la idea de la Energía Oscura, una misteriosa fuerza que, contra toda lógica, es más intensa de lejos que de cerca, se ha teorizado para explicar los resultados de una observación mal interpretada, entonces resulta que la Energía Oscura no es necesaria y probablemente no existe.

El Fin del Universo

En mi opinión la Expansión del Universo es, ha sido y será siempre constante, pues no se trata de una Gran Explosión, de un Big Bang, sino más bien de un Big Plash, una Gran Onda 3D que se expande a velocidad constante por una brana 4D.

Completamente de acuerdo en que el Futuro del Universo es, igual que en cualquier onda, disolverse en la nada, lo cual nos deportará un futuro muy oscuro y frío, pero no tan inminente como augura la teoría de la Expansión Acelerada Exponencialmente por la Energía Oscura.

Aún podemos dormir tranquilos durante al menos los próximos 50.000 Millones de años. Aún entonces seguirán quedando estrellas a las que arrimarse.

Ver Ficha de Materia Oscura y Energía Oscura de la serie El Universo

Perdón por la interrupción

La Ley me obliga a darte el siguiente

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