Materia y Energía Oscura

¿De que esta hecho el Universo? 

Materia oscura y energía oscura

Tonatiuh Matos 

 2004

Este libro resume los avances científicos de lo observado hasta la fecha del Universo, del cual se derivan importantes términos.

1. El modelo del Big Bang Caliente

La gran explosión es la mejor teoría encontrada al origen y expansión del universo, si esto es así, deberíamos ser capaces de detectar la radiación generada en esos momentos, de allí nace el concepto de Radiación de fondo del Universo (Ruido Blanco): Radiación de fotones que quedo libre después de que estos dejaran de interactuar con el resto de la materia, la cual se detecta como un ruido que no deja libre las transmisiones incluso de microondas.

El Espectro de Frecuencias (la manera en que se da la intensidad de las señales con respecto a las frecuencias de radiación) de un Cuerpo Negro (caja con paredes que absorben y reflejan radiación electromagnética de manera muy eficiente) es muy característico sigue una curva que sube y baja suavemente ajusta perfectamente a la predicción teórica de la radiación de un cuerpo negro con temperatura alrededor -270°C proveniente del cosmos, con lo que se concluye que el universo esta inmerso en una nube de radiación.

2. Historia Térmica del Universo 

Después del big bang la materia se encontraba en forma de gas tan caliente que las partículas elementales estaban separadas en sus partes fundamentales (quarks y electrones libres, fotones), a causa de la explosión la materia salió fluyendo en todas las direcciones por lo cual comenzó un proceso lento de enfriamiento, hasta el momento conocido como Época de Recombinación en que los fotones ya no eran capaces de alterar la trayectoria de los electrones, por lo tanto viajan libremente por el universo. Por las interacciones que los fotones tenían con la materia fue posible tomar una fotografía de como se veía el universo en ese momento. La temperatura descendió hasta posibilitar la formación de átomos (Hidrógeno y Helio principalmente) y con ello la formación de galaxias (enormes cúmulos de gas) debido a la fuerza gravitacional; formación de estrellas (masas en equilibrio gravitacional y térmico) sin embargo el hidrógeno es finito por lo cual en algún momento se acaban, cuando esto sucede el gas vuelve a colapsar, el centro disminuye su tamaño y se calienta mucho más, la estrella termina su combustible y ya nada detiene el colapso hasta una explosión denominada Supernova, según la masa final después de la explosión sera una una enana blanca, extrella de neutrones, un hoyo negro (masa final mayor a 2.5 masas solares) es un objeto tan denso que ni la luz escapa de él. Al llevarse a cabo la supernova la mayor parte de la masa es expulsada pero se conserva un núcleo, donde prácticamente todo el hidrógeno se convierte en elementos mas pesados como los conocidos en la Tierra; lo expulsado se convierte en polvo interestelar que luego será captado por otra estrella en formación, esto es lo que seguramente sucedió con la conformación de nuestro sistema solar

3. Teoria General de la Relatividad

Max Plank en Alemania formulo el concepto de energía cuantizada (solo toma valores discretos) esta es la base de la teoría cuántica que es fundamento de la electrónica moderna.

Einsten formulo la teoría especial de la relatividad en 1905 la cual contradecía las leyes de Newton en el momento en que un cuerpo se mueve a velocidades cercanas a la luz. Para Einsten no hay fuerzas, la interacción entre 2 cuerpos se da por la modificación de la geometría del espacio-tiempo debido a la existencia de los cuerpos. Este concepto también aplica para otras interacciones. electromagnética, gravitacional, nuclear, etc.

4. Inflación

Modelo Cosmológico de Friedmann: el universo debe su origen a la gran explosión y esta en continua, suave y desacelerada expansión. Debido a la expansión siempre habrá muchas regiones que tardarán mucho tiempo en encontrar contacto casual entre ellas. 

En el universo que observamos tanto las galaxias como las radiaciones de fondo tienen las mismas características, e.d., las radiaciones de fondo recibidas en el Polo Norte tienen el mismo espectro de fluctuaciones que las recibidas en el Polo Sur, esto se conoce como Problema del Horizonte. Otro problema del modelo se denomina Condiciones Iniciales, para obtener un universo como el que conocemos son necesarias condiciones iniciales extremas, por ejemplo, la densidad crítica del universo (densidad limite entre el  universo que se recolapsa y otro que se expanda para siempre)

Alan Guth propuso algunas soluciones a los problemas mencionados: Era Inflacionaria: El universo tuvo una era donde se expandió a gran velocidad de manera extrema, esta era agiganto todas las regiones que ya estaban en contacto casual entre sí  hasta que lograron un tamaño que en una expansión normal, les diera sus tamaños actuales. Si esto es así, la región en contacto casual podría ser más grande que la región del Universo que ahora observamos (Resolvería el problema del horizonte). 

La expansión acelerada da como resultado a creación de fluctuaciones primordiales que después serán de importancia para la creación del universo; las observaciones que muestran que el universo es homogéneo e isotrópico permiten 3 posibilidades geométricas: esfera (se expandiría durante un tiempo y luego recolapsaría), silla de montar (se expandiría por siempre) y plano (fluctuaría entre expansión y recolapso) . Un periodo inflacionario provocaría que el universo se volviera plano (comprobado por observaciones muy precisas de la densidad del universo que es igual a 1).

Principio de incertidumbre reflejado en el espacio vacío: si no tuviera verdaderamente ningún tipo de materia su energía sería cero, las partículas que se crean y se destruyen en tiempos pequeñísimos. Estas fluctuaciones cuánticas en el periodo de inflación se agigantaron enormemente provocando inhomogeneidades en el universo que serían las "semillas" de la estructura del universo.

5. Formación de estructura

La idea consiste en observar que si en algún momento después de la época de inflación, existiera una fluctuación primordial (zona de mayor densidad que la promedio) de materia en el universo, esta actuaría como imán para atraer más y más materia de sus alrededores. Fluctuaciones pequeñas se comunican muy rápido entre sí entrando en contacto casual desde muy temprano (lo contrario para las fluctuaciones grandes). Es por ello que la luz que nos llega de las galaxias es de la existencia de las mismas de hace mucho tiempo, puede que ahora ya ni existan. Entonces las radiaciones de luz no podrán destruir las fluctuaciones suficientemente grandes, tanto que su materia no se vea entre sí.

La expansión es una fuerza que intenta separar todos los objetos del universo, en contra de las fluctuaciones; fue necesario postular 2 nuevas formas (materia y energía oscura)  que hasta ahora nadie sabe qué ni cómo son, ni de donde vienen, pero su existencia se comprueba mediante varios métodos. Lo que fallo en el paradigma es que no existe coincidencia entre lo que se ve y mide y lo que se predice usando ese modelo

6. Materia Oscura

Es necesario proponer algo diferente a la materia conocida, que logre formar la estructura del universo. 

Una galaxia es un objeto gravitacional puro, e.d., en ella solo interviene la fuerza gravitacional (causada por la masa de todas las estrellas que pertenecen a ella) y la inercia (fuerza centrífuga causada por la rotación de las estrellas alrededor de la galaxia) en una estrella el equilibrio se logra combinando fuerzas gravitacionales y nucleares.

Vera Rubin realizó trabajos experimentales, midió la velocidad tangencial  (a mayor velocidad se supondría mayor masa que cumpla la ley de gravitación, e.d., que las estrellas permanezcan en la galaxia) de diferentes estrellas en una galaxia y la comparó con su respectiva intensidad luminosa. La curva resultante fue finalmente plana, e.d., estrellas a muy diferentes distancias al centro de la galaxia giran con la misma velocidad circular, siendo que la distribución luminosa indicaría que a mayor distancia la velocidad debe caer rápidamente. Lo cual implica una relación directa del incremento del radio con el crecimiento de la masa. Pero no se cumplía, después de un cierto radio, un incremento del mismo implicaría un decrecimiento de la  materia luminosa. 

Esta aproximación llevó a los astrónomos a concluir que las galaxias tienen una gran cantidad de materia no luminosa, no detectada, que no radia.

Otras 2 evidencias demuestran la existencia de materia oscura: Espectro angular de potencias: El ruido de fondo del universo, el espectro de fluctuaciones de esa radiación teórico solo coincide con el experimental si se se adiciona cierta cantidad de masa. La segunda se denomina espectro de potencias de masa: En el cual se obtiene un pico es este espectro debido a la gran diferencia entre fluctuaciones pequeñas y grandes, este pico depende únicamente de la cantidad total de masa del universo; cuando se realizaron mediciones un 5% corresponde a bariones (materia hecha de protones y neutrones), un 35% de cúmulos visibles respecto a la densidad crítica del universo. El restante 60% deberá ser materia negra. 

7. Materia Oscura fría, caliente, tibia..

La materia oscura dejó en algún momento de interactuar con el resto de materia conocida por eso no la vemos y se espera que así sea para que las fluctuaciones se presenten desde el universo temprano. Existe una clasificación: Materia Oscura Fría: Al dejar de interactuar con otra materia su energía cinética ya no es alta, por tanto, su contribución cinética a la masa ya no es  representativa. 

Materia Oscura Caliente: el movimiento cinético de sus partículas es comparables a la velocidad de la luz. 

Contraste de Densidad: (tamaño de la fluctuación / densidad promedio del universo que depende del tiempo) Utilizado para medir con más precisión el desarrollo de las fluctuaciones

Materia Oscura Tibia: No permite la formación de galaxias sino hasta muy tarde

Se entiende por la fuerza gravitacional que el universo se esta contrayendo, e.d., frenando la expansión del universo. Pero no es así el universo se está expandiendo aceleradamente impidiendo la formación de estructura, se ha observado que las galaxias se están separando cada vez más, esto solo es posible con un tipo de materia: antigravitacional, "por darle un nombre" : Energía Oscura

8. Energía Oscura

Estrellas binarias: Sistemas estelares con 2 soles

A fines de los 90´s 2 grupos independientes fotografiaron galaxias binarias por días seguidos de Luna Nueva y observaron los milésimos cambios, encontraron que entre más lejos estuvieran las galaxias de nosotros, la velocidad de expansión era menor = El universo se expande cada vez más rápido. Observaciones en el año 2003 del satélite WMAP dieron cotas de la existencia de materias raras con mucha precisión, 23% materia oscura, 73% energía oscura y 4% materia barónica. También se concluyó que el universo tiene la densidad crítica por tanto no se sabe si se expanderá infinitamente o recolapsará. 

Quintaescencia: Propuesta de que la energía oscura fuera de naturaleza escalar. Para aproximar más hacia una constante cosmológica que formule una ley específica del universo, que hasta hoy no se conoce.

9. ¿Qué es la materia oscura?

La materia oscura no puede interactuar con la materia desde después del Big Bang pero si debe tener suficiente fuerza gravitacional para determinar la estructura del universo

Varias Hipótesis:

Materia oscura hecha de bariones: Cada galaxia espiral este contenida en un halo esférico de materia que se extiende más allá de los límites visibles del disco galáctico. A pesar de años de estudios no se comprueba que sea cierta.

Neutrinos: Forman parte muy pequeña de la materia oscura

Supersimetría: Consiste en agregar una partícula compañera a cada partícula conocida. Ej: Fotón-Fotino, Gravitón-Gravitino

Branas: Existencia de otra dimensión en la cual "vive" la materia oscura, por lo que no podemos verla pero si sentirla debido a su interacción gravitacional.

Deutrinos, axiones, cuerda cósmica, campo escalar, 

10. Preguntas Abiertas

La presencia de la materia oscura es aceptada en la actualidad, ya que esta respaldada por observaciones durante 60 años, la pregunta que sigue abierta es su contenido, al punto que los cosmólogos han recurrido a la física de partículas intentando predecir, modelar, encontrar candidatos  a la materia oscura, a la fecha son puramente teoricos. 

Hacen falta contestar muchos interrogantes cosmológicos que expliquen completamente el universo en su conjunto.