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Enero 2011

La materia y la energía oscuras

Escrito por  Pilar Luis
La materia y la energía oscuras

Por Pilar Luis




En las últimas décadas los astrónomos han llegado a la desconcertante conclusión de que el Universo está dominado por materia y energía que no vemos y que no comprendemos. La materia ordinaria sólo constituye un 5% del contenido total del Universo, el resto no sabemos qué es, aunque podemos medir las consecuencias que provoca en los fenómenos que observamos. Por otro lado, de acuerdo con el modelo cosmológico estándar el Universo empezó con una gran explosión. Como resultado de la misma, éste empezó a expandirse y, con él, el espacio. El contenido de materia y energía del Cosmos es lo que determina el ritmo de expansión. Las últimas investigaciones y observaciones han llevado a la conclusión de que el Universo se halla actualmente en una fase de aceleración, por el contrario de lo que se esperaba. Si el Universo había empezado su expansión con el Big Bang, una vez pasado éste, tendría que haber empezado su fase de desaceleración o frenado progresivo. Esta aceleración inesperada sólo puede deberse a la existencia de una energía que desconocemos y a la que los cosmólogos han dado el nombre de “energía oscura”.

La historia de la materia oscura

El conocimiento tradicional del Universo se ha realizado gracias a la luz de aquellos objetos o procesos que podían emitirla. Pero en 1933 un astrónomo Suizo, Fritz Zwicky, encontró la primera evidencia de que debía existir materia que no podíamos ver. Estudiando un cúmulo de galaxias de la constelación Coma Berenices halló que la dinámica del movimiento de las galaxias dentro del cúmulo no se podía explicar con la masa que contenían las galaxias que se podían observar (básicamente la de sus estrellas). Por ello, F. Zwicky dedujo que debía existir materia oscura, esto es, una materia que sólo se puede detectar por los efectos gravitatorios que produce.

En los años 70 se pudieron hacer estudios detallados de galaxias individuales y se comprobó que la dinámica de éstas tampoco se podía explicar tan sólo con la materia observada, por lo que se volvió a constatar la necesidad de la existencia de materia oscura.

Es importante señalar que no conocemos la composición de la materia oscura, sólo podemos decir que está formada por partículas no bariónica ( diferente de protones y neutrones); que no interactúan con la materia común, la formada por protones y neutrones; que no reacciona con la luz y que sólo la podemos detectar por sus efectos gravitatorios.

Desde entonces, todas las medidas dinámicas de galaxias y cúmulos de galaxias nos conducen a la misma conclusión: si el movimiento de estos sistemas se rige por las leyes de la gravedad que conocemos, entonces tiene que existir una materia que no vemos y que denominamos “materia oscura” para explicar los movimientos observados.

Las lentes gravitatorias en las que se convierten las zonas con masa del Universo y la propia distribución de la materia que podemos ver del Universo, también introducen la necesidad de materia oscura para explicar los fenómenos y realidades observadas.

La historia de la Energía Oscura

En 1917 Einstein se dio cuenta de que sus ecuaciones de relatividad general aplicadas al Universo daban lugar a un Universo dinámico. Para evitar esto, añadió un término a sus ecuaciones, llamado constante cosmológica, que permitía soluciones estacionarias para el Universo, porque pensaba que el Universo tenía que ser estático. Cuando en 1929 Hubble anunció que las galaxias que había estado estudiando se alejaban de nosotros a una velocidad proporcional a su distancia, era evidente que el Universo no era estático, estaba en expansión. Einstein calificó la introducción de la constante cosmológica como el error más grave que había cometido.

En 1997 detallados estudios sobre supernovas del tipo “Ia”(1)  en otras galaxias, nos llevaron a la inesperada conclusión de que el Universo se halla en una etapa de aceleración, con un ritmo de expansión cada vez más rápido. Esta observación fue de gran relevancia porque se daba por hecho que tras el impulso inicial del “Big Bang” que provocó la expansión del Universo, ésta tenía que ir decreciendo con el tiempo.

La causa física de esta aceleración se desconoce, por lo que se denomina “energía oscura” al elemento causante de la aceleración. El hecho es que su efecto es el mismo que el de la constante cosmológica que Einstein había incluido en las ecuaciones generales de la relatividad, actúa como una fuerza repulsora; provocando un ritmo de expansión creciente. Aun equivocándose, Einstein tuvo razón...

Actualidad y Futuro

Después de la sorpresa de que el Universo se está acelerando, en los últimos años y en la actualidad se está haciendo un esfuerzo observacional muy grande para poder caracterizar esta aceleración y medir su contenido. Así poder determinar su forma, pasado y futuro. Se mantienen estudios con supernovas del tipo Ia en otras galaxias. Se están haciendo mapas del Universo observable para estudiar los patrones de agrupamiento de las galaxias, tal y como se ha explicado en el apartado de estructura del Universo . También se estudian las desviaciones de la luz en su recorrido en la proximidad de cuerpos con gran masa (lentes gravitatorias). Y, sobre todo, se lanzó el satélite Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) con el objetivo de mejorar los datos que en su día obtuviera el satélite COBE (1992) de la radiación cósmica de fondo y profundizar en el contenido del Universo primigenio.

Ninguno de estos experimentos por separado es capaz de discernir de qué está constituido el Universo, pero la combinación de estos diversos estudios permite una determinación bastante fiable.

Los resultados actuales, incluyendo las medidas que en febrero de 2003 el satélite WMAP nos proporcionó y el mapa del SDSS (publicado en abril de 2003 y del que ya se habló al principio del trabajo), nos han llevado a concluir hasta el momento que el Universo está formado sólo en un 5% por materia ordinaria a base de átomos, la que nosotros estamos acostumbrados a manipular; un 25% de materia oscura; y un 70% de energía oscura. La confirmación experimental de la energía oscura se ha considerado el descubrimiento científico más importante de 2003. Pero la realidad es que no sabemos qué son la materia oscura ni la energía oscura. O dicho en otras palabras: nuestro conocimiento actual sirve para demostrar nuestra ignorancia.

(1) Las supernovas del tipo “Ia” se producen cuando una estrella enana blanca, va tomando masa de una estrella gigante roja vecina. Cuando la enana blanca alcanza 1,4 veces la masa del sol (2·1030Kg), se produce la explosión de la supernova, que al tener un brillo muy grande y ser perfectamente conocido su valor absoluto, permite a los astrofísicos estudiar con bastante aproximación la posición de galaxias que están entre 100 y 500 M de años luz del sistema solar. (Cuanto menos brillante se ve la supernova desde el sistema solar quiere decir que está más lejos.)



Bibliografía:

“La energía y la materia oscuras dominan el Universo”. F.J.Castander. Revista “Tribuna de Astronomía”. Abril 2004

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