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04/05/2010
Origen del Universo - Materia Oscura y Constante Cosmológica
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Entrevistas y Noticias 
Materia oscura
Aprendiendo sobre la materia y la energía oscura
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¿Cuándo y cómo se originó el universo? Ésta ha sido siempre  una de las preguntas fundamentales del hombre, siempre enfrentada desde distintas áreas del conocimiento. Sin embargo, en las últimas décadas hemos presenciado por primera vez un intento serio de hacerlo desde la ciencia básica. Esto se debe a la luz que han arrojado sobre esta cuestión, distintas teorías y observaciones surgidas durante el siglo XX.

Primero la Teoría de la Relatividad de Einstein mostró que la masa era otra forma de energía y que el espacio y el tiempo eran dos aspectos de un mismo ente: el espacio-tiempo. Luego su Relatividad General, concluyó que el  espacio-tiempo es dinámico, se mueve, se curva, se dobla. Esto, debido a la presencia de materia (o cualquier forma de energía). La atracción gravitacional entre dos objetos es interpretada como el movimiento de uno de ellos en el espacio-tiempo  curvado por el otro.

Luego vino la Mecánica Cuántica de Heisenberg y Schroedinger, qué dilucidó el comportamiento del mundo atómico (y más tarde también algunos aspectos del mundo subatómico). En particular, por ejemplo, esta teoría explicó porqué los electrones no se caen sobre los núcleos atómicos, cosa que no permitiría la existencia de la materia como la observamos.

Más tarde vino la espectacular  observación de Hubble: Las galaxias se alejan unas de otras. Pero si la materia en el universo se expandía, era por que en el pasado estaba toda muy cerca, muy densamente agrupado. Y mientras más atrás mayor densidad, hasta que llegamos a un instante en que toda la materia del universo estaba concentrada en una región de tamaño ínfimo: El Big-Bang.

Con el Big-Bang nace el universo tal como lo conocemos. Cuando decimos "universo" no nos referimos sólo a la materia que en él existe, sino además al espacio y al tiempo. El Big-Bang es el nacimiento del espaciotiempo.

Para entender el origen del universo, debemos por lo tanto utilizar tanto el comportamiento de las grandes masas de materia en el espaciotiempo (la relatividad general de Einstein) como el del mundo subatómico (la mecánica cuántica).
Aquí es precisamente donde surge el misterio más grande de la física teórica del siglo pasado: la relatividad general y la mecánica cuántica son incompatibles. No podemos usarlas para estudiar el mismo fenómeno. Es por esto que requerimos de algo nuevo. Una teoría distinta a todo lo conocido: la "Gravitación Cuántica".

Existen distintas visiones de cómo debiese ser esta hipotética teoría. La más popular hoy es la Teoría de Supercuerdas, donde los constituyentes fundamentales de la materia son pequeñas cuerdas cuyas distintas formas de vibrar dan cuenta de las distintas partículas elementales que existen en el universo (y que incluyen al gravitón, responsable de la interacción gravitacional).

Materia oscura, Energía Oscura

No todos los problemas de la cosmología están asociados a lo que sucedió la primera fracción de segundo en la vida del universo. Uno de estos problemas, y seguramente uno de los más importantes problemas actuales de la cosmología nació en la última década del siglo veinte. Por esos años se comenzó a acumular evidencia que el universo no sólo se expandía, sino además, que su velocidad de expansión está aumentando: la expansión acelerada del universo.

La única forma de explicar este fenómeno dentro de la teoría de Einstein es a través de la existencia un fluido con propiedades muy especiales que llena el universo: la energía oscura. Para dar cuenta de la aceleración observada esta materia debe corresponder al 70% de la totalidad de materia existente en el universo.  Esto no es demasiado gratificante. Menos aún si a esto agregamos el hecho que de acuerdo a otras observaciones, el restante 30% está constituido, casi en su totalidad, por materia oscura, esta es materia que no podemos observar más que por sus efectos gravitacionales, y que de acuerdo a esto, sólo puede tratarse de materia con propiedades muy distintas a las que comúnmente observamos.

De ser todo esto cierto, significaría que las partículas que componen la  materia que conocemos representan tan sólo un 5% del contenido total del universo. Este resultado es  bastante decepcionante. El 95% de la materia del universo escapa a nuestras teorías. Otra posibilidad, sin embargo, es que la teoría de la relatividad general requiera de modificaciones a escalas grandes. No sabemos con exactitud qué es lo que está ocurriendo. Sólo sabemos una cosa.  Hay mucho trabajo por hacer.

Agujeros negros

Una de las más fantásticas predicciones de la relatividad general es la existencia de agujeros negros. Estos objetos se forman en la etapa final de la vida de algunas estrellas.

Mientras el combustible nuclear permita mantener una temperatura suficientemente alta, la presión hacia afuera producida por el calor compensará la atracción gravitatoria, pero al enfriarse la estrella el colapso será inevitable. Si la estrella es liviana la atracción podrá ser compensada por fuerzas electromagnéticas o nucleares, pero si es suficientemente masiva, este colapso no podrá ser detenido, llevando toda la masa de la estrella a un solo punto. En este punto el campo gravitacional resultante será infinitamente intenso: la singularidad.

La propiedad más importante y sorprendente de estos agujeros negros, es que esta singularidad está rodeada por una superficie que llamamos horizonte. Cualquier objeto que se aproxime lo suficiente como para traspasar el horizonte no podrá volver a salir jamás. Ni siquiera la luz puede escapar, por lo que un agujero negro no puede emitir luz. De ahí su nombre.

La razón por lo que esto ocurre es que en el horizonte, el espacio-tiempo se curva de forma tal que en su interior el tiempo y el espacio invierten sus roles.  Los objetos que caen dentro del agujero negro (que traspasan el horizonte) ya no deben ir hacia delante en el tiempo, sino que están condenados a seguir adelante hacia la singularidad (hacia el centro del agujero negro), es esa la dirección en que ahora los empuja la "inexorable fuerza del tiempo".
Note que aquí nuevamente nos encontramos con la necesidad de tener una teoría de gravitación cuántica. Toda la materia que cae dentro de un agujero negro termina concentrada en volúmenes  ínfimos, subatómicos. Por lo tanto, para entender la naturaleza de la singularidad necesitamos utilizar simultáneamente la mecánica cuántica y la relatividad general. Los agujeros negros son, por lo tanto, pequeños laboratorios donde podemos entender  el origen del universo. Pero la relación entre los agujeros negros y la gravitación cuántica no termina allí.

En la década de los 70, Hawking mostró que los agujeros negros no eran, después de todo, completamente negros. La mecánica cuántica implicaba que algunas partículas podrían escapar de estos. La manera de hacerlo es idéntica a la que ocurre cuando calentamos un objeto (un carbón de la parrilla) y este emite luz (roja-anaranjada en el caso del carbón de la parrilla). Los agujeros negros se evaporan. Cualquier teoría cuántica de la gravedad debe dar cuenta de éste

El problema de la constante cosmológica

Inventar teorías capaces de explicar o predecir los fenómenos naturales es el objetivo central de cualquier actividad científica. Normalmente –ya sea porque nuestra teoría o nuestros métodos experimentales son limitados-esperamos encontrar alguna discrepancia entre los valores teóricos y las mediciones en el laboratorio. Éstas, en el mejor de los casos son  muy pequeñas como ocurre en la teoría cuántica del electrón, donde las discrepancias suelen ser menores a una parte en 100 millones. En  otros sistemas nos conformamos con discrepancias bastante mayores, que pueden llegar a varias veces la cantidad en cuestión.

A mediados del siglo XX, sin embargo,  los físicos tuvieron que enfrentarse con la mayor discrepancia jamás encontrada en la historia de la ciencia. El valor teórico para la así llamada, constante cosmológica, era
1000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000  000000000000000000000000000000000000000000000 (1 seguido de 120 ceros) veces más grande que el que medían los astrónomos. Hoy día el problema de la constante cosmológica,  sigue sin solución y es sin duda, otro de los más urgentes de la física.

En 1917, Albert Einstein intentó aplicar su recién finalizada Teoría de la Relatividad General para describir el universo completo, y de esta manera responder preguntas tan antiguas y fundamentales  como cuál es su tamaño, su forma y la relación de estas características con la cantidad y propiedades de la materia presente en él. Para su gran sorpresa, descubrió que su teoría no era compatible con un universo estático, esto es, uno en el cual las galaxias estuvieran en reposo unas respecto de las otras. Esto no le pareció razonable a Einstein, pues el universo parece ser estático: la posición relativa de estrellas y galaxias en el cielo no ha variado perceptiblemente en la historia de la humanidad.

Este hecho, junto con los puntos de vista estéticos y filosóficos de la época, hizo a Einstein concluir que las celebres ecuaciones que él había inventado debían ser incorrectas.  Propuso agregarle a las ecuaciones un término extra, la constante cosmológica. Si esta cantidad era suficientemente pequeña, su influencia solo sería importante en sistemas suficientemente "grandes", tales como sistemas de muchas galaxias, pero imperceptible para sistemas más "pequeños" tales como las orbitas de planetas y estrellas dentro de la galaxia.  Que fuese así  era extremadamente importante, pues las ecuaciones originales son enormemente exitosas para explicar y predecir con gran precisión fenómenos en la escala "pequeña".

Cuando Hubble descubrió que el universo estaba en expansión y que por lo tanto no era estático, se dice que Einstein dijo que la constante cosmológica era el peor error de su vida.  Efectivamente, las ecuaciones originales de Einstein son perfectamente compatibles con un universo en expansión.
Desde el punto de vista fenomenológico no hay diferencia alguna entre el efecto de una constante cosmológica y la energía oscura arriba descrita. Podemos decir por lo tanto que la constante cosmológica es producida por ésta. Aunque arriba señalamos que no sabemos el origen de esta energía oscura que da cuenta de la aceleración del universo, un candidato posible es la energía del vacío.

Uno de los resultados importantes de la mecánica cuántica  es que el vacío absoluto no existe. Si intentáramos producir el vacío más perfecto, éste estaría limitado por la burbujeante realidad subatómica, donde partículas elementales se pueden crear y destruir espontáneamente. La mecánica cuántica nos enseñó que la naturaleza, incluso en sus estados de menor movimiento (energía), tiene mucha actividad. De este modo, el "vacío" posee una densidad de energía mínima que no podemos eliminar.

El aporte de esta energía del vacío a las ecuaciones de Einstein es indistinguible de aquella que entrega la constante cosmológica (o la energía oscura). Sin embargo, las estimaciones teóricas resultan en un número que difiere del medido por los astrónomos por el factor antes mencionado.
La pregunta actual es entonces por qué la constante cosmológica es tan pequeña. Muchos intentos se han hecho para responder este misterio sin existir hasta el día de hoy una respuesta satisfactoria.

(*) Andrés Gomberoff
Profesor Asociado del Departamento de Ciencias Físicas
Pontificia Universidad Católica de Chile_PUC
gomberoff AT fis.puc.cl

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Andrés Gomberoff (*) - casanchi.com
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Comentarios
amalia lucas - 17/06/2010 - 11:31:46 AM
ke horrrorsss ya ni la friegan esto es un ascoooo.... den mas informacion por ke esto no nos interesa .... ... ............. ............... .- ..............

rashid feres - 22/06/2010 - 11:49:02 PM
interesante la formacion del universo un tema intrigante y comprometedor PERO ALGUIEN ME PODRIA EXPLICAR POR QUE EL UNIVERSO ES HOMOGENEO E ISOTROPO POR FAVOR

JOSE EDUARDO MUÑOZ - 26/06/2010 - 10:32:58 PM
Claro que nos interesa, gente ajena a estos temas, simplemente no los leea y ya. Muy interesante la explicacion del maestro nos permite ver de modo mas sencillo este intrincado problema, algun dia, relatividad y mecanica cuântica estaran de la mano, la teorîa de las supercuerdas es un buen candidato para complementarlas, primero hay que resolver la naturaleza de la energia y materia oscura, y luego viene la incognita: Que es el gran Atractor????

Coordinador - 26/06/2010 - 11:52:34 PM
El Gran Atractor es una anomalía gravitacional en el espacio intergaláctico, en el centro del supercúmulo de Virgo, que arrastra a las galaxias a lo largo de una región de millones de años luz. Todas estas galaxias presentan un desplazamiento al rojo, como si se alejasen de nosotros y de todas las demás, pero las variaciones en su desplazamiento al rojo son suficientes para revelar la existencia de una concentración de masa equivalente a decenas de miles de galaxias. De hecho, existen galaxias que se encuentran justo detrás de esa zona hipermasiva que debido a la colosal atracción gravitatoria que se les ejerce presentan un corrimiento al azul. Este fenómeno, que fue descubierto en 1986, reposa a una distancia de unos 250 millones de años luz, en la dirección de las constelaciones de Hydra y Centaurus.

ramos juan - 30/07/2010 - 6:50:11 AM
estabien dijo el tuza....

javer estrada - 09/06/2011 - 10:26:43 AM
aqui no hay nada inportante

daniella esparza - 25/04/2012 - 11:23:51 PM
esta super chida la informasion 100 gracias me ayudo musho ¡¡¡

diego noel - 10/02/2013 - 5:14:30 PM
obsoleto

8 comentarios para este artículo.

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