GRAVITACIÓN EN EL UNIVERSO: MATERIA OSCURA, ENERGÍA OSCURA Y AGUJEROS NEGROS

Transcripción

1 GRAVITACIÓN EN EL UNIVERSO: MATERIA OSCURA, ENERGÍA OSCURA Y AGUJEROS NEGROS Anomalías de la ley de gravitación universal de Newton De la extraordinaria aportación de Isaac Newton ( ) a la Mecánica hasta hoy, algo ha cambiado en la concepción del universo, si se tiene en cuenta las situaciones en las que no encajan las predicciones, por así decirlo, de la mecánica Newtoniana. El propio Newton indicaba en su magnífica obra, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, que la acción de los planetas sobre otros produciría perturbaciones en las órbitas y, como consecuencia de la ley de Gravitación Universal, se observaron perturbaciones cuyo estudio dio lugar a la búsqueda de planetas desconocidos en el siglo XVIII, obteniendo como fruto el descubrimiento de Urano en 1781 por W. Herchel ( ). Posteriormente, el francés Urban Le Verrier ( ), estudió el movimiento del planeta Urano y observó que la órbita no era la esperada aplicando las leyes de Newton con los conocimientos del sistema solar de la época. En vez de pensar que las leyes de la mecánica fallaban, supuso que la desviación respecto del movimiento que se esperaba, podía ser la existencia de un planeta nunca visto hasta entonces, capaz de "perturbar" el movimiento de Urano con su atracción gravitatoria. Calculó las coordenadas y características del supuesto cuerpo celeste y en 1846, el alemán Johann G. Galle ( ) pudo observar un nuevo planeta con un telescopio en las coordenadas indicadas por Le Verrier, al que le llamaron Neptuno, el que había sido durante un tiempo una masa invisible cuya presencia sólo se suponía debido a su fuerza de gravedad. El movimiento de uno de los planetas que más problemas planteaba era Mercurio, dado que su órbita elíptica de gran excentricidad supone ciertos problemas adicionales al del movimiento de otros planetas y también porque al ser un planeta cuya órbita es inferior a la de la Tierra, Mercurio periódicamente pasa delante del Sol, fenómeno que se denomina tránsito astronómico. Observaciones de su órbita a través de muchos años demostraron que el perihelio (punto de la órbita más cercano al Sol) gira 43" de arco más por siglo de lo predicho por la mecánica clásica de Newton. Envalentonado por el éxito del 1

2 descubrimiento de Urano, Le Verrier propuso en 1860 la existencia de otro planeta entre el Sol y Mercurio. El supuesto planeta no sólo recibió un nombre ("Vulcano"), sino que varios observadores, en distintas oportunidades, anunciaron haberlo visto. Pero nunca nadie pudo confirmar esas observaciones, y la existencia de Vulcano siguió siendo un misterio. El movimiento anómalo de Mercurio quedó explicado en 1916 con la teoría de la Relatividad General de Albert Einstein ( ), Mercurio está muy cerca de la enorme masa del Sol y por eso la gravitación newtoniana necesita ajustarse con la mecánica relativista, de manera que la presencia de un planeta invisible como Vulcano no era necesaria para explicar la anomalía. Anomalías en el movimiento en los bordes de galaxias espirales Sin embargo, perturbaciones detectadas en el propio sistema solar y más allá de él fueron inexplicables durante mucho tiempo basándose en el modelo clásico. El estudio del comportamiento de las estrellas y galaxias llevó a pensar que la fuerza gravitatoria a la que estaban sometidas no se correspondía con las distancias ni las masas implicadas. Es decir, el efecto gravitacional de las masas visibles era mucho menor que el observado en las galaxias. Por ejemplo, la Vía Láctea, que es una galaxia compuesta por un enorme conjunto de estrellas (de a ), con sus planetas y satélites, más polvo interestelar con una masa del orden de 1012 veces la masa del Sol, tiene forma de espiral barrada, como se muestra en la figura. La velocidad de giro de las estrellas de las barras intermedias y exteriores no cumplen las predicciones que la teoría de gravitación prevé. La masa de la galaxia es mucho menor que la correspondiente a la velocidad de giro de las barras exteriores. De hecho, la energía cinética total debería ser la mitad del valor absoluto de la energía potencial gravitatoria y, sin embargo, es mucho mayor. 2

3 Fritz Zwicky ( ) observó en 1933 las anomalías en la velocidad de las galaxias del borde del cúmulo de Galaxias Coma, las cuales se movían con velocidades mucho mayores de las esperadas con la masa estimada para el cúmulo (la velocidad de giro de un cuerpo celeste depende, además de la distancia, de la masa central que lo atrae). Dicho de otro modo, la gravedad de las masas visibles era muy poca para la gran velocidad orbital de giro de las galaxias exteriores. De ahí que propusiera por primera vez la existencia de una enorme masa invisible, porque no se observaban estrellas o cuerpos celestes responsables de dichas anomalías, que influía en las velocidades orbitales de las galaxias, lo que vino a llamarse masa oscura. Confirmación de las anomalías en el movimiento espiral de galaxias Claro está que podía dudarse de las observaciones de Zwicky, pero entre los años , la astrónoma estadounidense Vera Rubin (1928-), midió las velocidades de las galaxias mediante un espectrógrafo muy sensible, capaz de efectuar medidas mucho más precisas y llegó a la conclusión de que en órbitas de diferente distancias al centro de galaxias orbitales giraban prácticamente con la misma velocidad angular. El hecho es contradictorio con la teoría de la gravedad, dado que deberían girar más lentamente las de mayor radio de giro, a no ser que entre una y otra espiral hubiera una gran masa invisible que proporcionaría la fuerza gravitatoria (recuérdese que la fuerza gravitatoria decrece con el cuadrado de la distancia a la masa, respecto de la cual giran las otras masas). A pesar del escepticismo del principio, se comenzaba a poner en duda la teoría de la gravitación tradicional y cada vez más las observaciones apuntaban a la existencia de una cantidad de materia invisible mucho mayor que la materia visible. Estudios posteriores (Amherts en 2006) han confirmado que nuestra galaxia se curva y vibra de forma parecida a la membrana de un tambor (véase figura adjunta). Ahora bien, la misteriosa curvatura del disco de la Vía Láctea no se puede atribuir solamente al efecto gravitatorio de sus dos principales satélites, las Nubes de Magallanes (la Grande y la Pequeña Nube de Magallanes), sino que sería necesaria una masa 20 veces mayor que la masa visible 3

4 de la Vía Láctea, lo cual puede atribuirse a la presencia de la masa oscura. Como es natural, la conjetura, basada en un solo tipo de observaciones no valida la conjetura de la materia oscura, pero hay otros tipos de pruebas que apuntan en la misma dirección, o sea, hacia la existencia de materia no visible o materia oscura. Es el caso del estudio de la radiación del fondo cósmico de microondas. La radiación de fondo de microondas (en inglés, Cosmic Microwave Background o CMB) es una forma de radiación electromagnética de longitudes de onda comprendidas entre 0,5 mm y 5 mm, descubierta en 1965, que llena todo el universo. También se denomina radiación cósmica de microondas o radiación del fondo cósmico. Tiene las mismas características de radiación del cuerpo negro a una temperatura de 2,725 K y su frecuencia pertenece al rango de las microondas con una frecuencia de 160,2 GHz, correspondiéndose con una longitud de onda de 1,9 mm. La radiación de fondo aparece a primera vista isótropa, es decir, independiente de la dirección el que se mida. Pero el satélite de la NASA COBE (Cosmic Background Explorer) entre 1989 y 1996 que fue la primera experiencia capaz de detectar irregularidades y anisotropías en esta radiación, es decir, la radiación varía si se mide en diferentes direcciones. Las irregularidades se consideran variaciones de densidad del universo primitivo y su descubrimiento arroja indicios sobre la formación de las primeras estructuras de gran escala y la distribución de galaxias del universo actual. En el 2001 la NASA lanzó un nuevo satélite capaz de estudiar con gran detalle la radiación cósmica de fondo, que consiguió el mapa más completo de las anisotropías en la radiación de fondo de microondas. El estudio de las anisotropías en la radiación de fondo de microondas sugiere que hay un 4 % de materia visible (materia bariónica), el 24 % de la materia oscura y el resto del universo (74 %) de energía oscura. Energía oscura Por si tuviéramos poco con el problema gravitatorio que dio lugar a la consideración de la materia oscura, se constatan problemas con la energía del universo, el cual se expansiona de forma cada vez más rápida, según se constató, no solo en la observación de supernovas muy lejanas (explosión estelar que puede manifestarse de forma muy notable, incluso a simple vista, en lugares de la esfera celeste donde antes no se había detectado nada), sino mediante medidas de la radiación de fondo de microondas, las lentes gravitacionales, la nucleosíntesis primigenia de elementos ligeros (fusión de núcleos ligeros para dar otros más pesados) y la estructura del universo a gran escala. 4

5 La energía oscura es una forma de energía que estaría presente en todo el espacio, la cual produce una presión hacia el exterior que tiende a acelerar la expansión del universo, resultando en una fuerza gravitacional repulsiva. Es decir, considerar la existencia de la energía oscura es la manera más frecuente de explicar las observaciones recientes de que el Universo parece estar en expansión acelerada (cada vez se expande más deprisa). En el modelo estándar cosmología, la energía oscura constituye casi tres cuartas partes de la masa-energía total del universo. Llamamos energía oscura a aquello que "presiona" al universo haciéndolo que tienda a la aceleración de su expansión. Produciría una fuerza gravitacional repulsiva que explica algunos de los procesos del modelo estándar de la cosmología. La energía oscura, por tanto, es en realidad un "campo", o sea, una manera de actuar de esa energía que ocupa todo el espacio. La existencia de la energía oscura, de cualquier forma, es necesaria para reconciliar la geometría medida del espacio con la suma total de materia en el universo. Las medidas de la radiación de fondo de microondas más recientes indican que el universo está muy cerca de ser plano. Para que la forma del universo sea plana, la densidad de masa/energía del universo tiene que ser igual a una cierta densidad crítica. Posteriores observaciones de la radiación de fondo de microondas y de la proporción de elementos formados en el Big Bang (Gran explosión) han puesto un límite a la cantidad de materia bariónica y materia oscura que puede existir en el universo, que cuenta solo el 30 % de la densidad crítica. Esto implica la existencia de una forma de energía adicional que cuenta el 70 % de la masa energía restante. Estos estudios indican que el 73 % de la masa del Universo está formado por la energía oscura, un 23 % es materia oscura (materia oscura fría y materia oscura caliente) y un 4 % materia bariónica. Características de la materia oscura y la energía oscura La materia visible o materia bariónica está constituida por las partículas y antipartículas subatómicas, llamadas fermiones (con masa en reposo), las cuales se clasifican en bariones, formados por quarks: neutrones, protones, lambda, Ksi y omega mesones:, piones, k, kaones, eta,, i leptones (electrones, neutrinos electrónicos, neutrinos muónicos,, y neutrinos tau, ), si bien los neutrinos no interaccionan electromagnéticamente, el resto de la materia visible interacciona electromagnéticamente mediante fotones (los cuales son bosones, es decir, partículas de intercambio en la interacción electromagnética, partículas sin masa en reposo). 5

6 La composición de la masa oscura se desconoce., aunque puede incluir neutrinos ordinarios y otras partículas elementales recientemente postuladas, como las WIMP (sigla en inglés de weakly interacting massive particles; en español "partículas masivas que interactúan débilmente", partículas hipotéticas interactúan debido a la interacción nuclear débil y la gravedad), nubes de gases no luminosos, cuerpos astronómicos como estrellas enanas y otras. La energía oscura no es materia oscura, como se ha mencionado antes, es una forma de energía que estaría presente en todo el espacio, produciendo una presión que tiende a acelerar la expansión del universo, resultando en una fuerza gravitacional repulsiva. La naturaleza exacta de la energía oscura, igual que la materia oscura, está hoy en pleno debate. Se sabe que es muy homogénea, no muy densa, pero no se conoce su interacción con ninguna de las fuerzas fundamentales más que con la gravedad. Como no es muy densa, unos g/cm³, es difícil realizar experimentos para detectarla. La energía oscura tiene una gran influencia en el universo, pues es el 70 % de toda la energía y debido a que ocupa uniformemente el espacio interestelar. Los dos modelos principales son la quintaesencia y la constante cosmológica. La energía oscura causa la expansión del universo pues ejerce una presión negativa. Qué significa esto? Una sustancia tiene una presión positiva cuando empuja la pared del recipiente que lo contiene; éste es el caso de los fluidos ordinarios (líquidos y gases de materia ordinaria). Una presión negativa tiene el efecto contrario, y un recipiente lleno de una substancia de presión negativa provocaría una presión hacia dentro del contenedor. De acuerdo con la relatividad general, la presión de una sustancia contribuye a su atracción gravitacional sobre otras cosas igual que hace su masa, de acuerdo con la ecuación de campo de Einstein, que no reproducimos aquí por su complejidad. Naturalmente hay otras explicaciones para justificar la causa de la expansión acelerada del universo. La explicación más simple para la energía oscura, según la teoría de la constante cosmológica, es tan simple como el "coste de tener espacio"; es decir, un volumen de espacio tiene alguna energía fundamental intrínseca. Esto es la constante cosmológica, algunas veces llamada Lambda, designada por la letra griega el símbolo utilizado matemáticamente para representar esta cantidad. Como la energía y la masa están relacionadas por la ecuación E = mc 2, la teoría de la relatividad general predice que el espacio-tiempo ha de tener un efecto gravitacional. Algunas veces es llamada energía 6

7 del vacío porque su densidad de energía es la misma que la del vacío. De hecho, muchas teorías de la física de partículas predicen fluctuaciones del vacío que darían al vacío exactamente este tipo de energía. Los cosmólogos estiman que la constante cosmológica es del orden de g/cm³ La constante cosmológica tiene una presión negativa igual a su densidad de energía, y así causa que la expansión del Universo se acelere. La razón por la que la constante cosmológica tiene una presión negativa se puede obtener a partir de la termodinámica clásica. La energía tiene que perderse desde dentro de un contenedor que se ocupe del contenedor. Un cambio en el volumen dv necesita el mismo trabajo elemental que para un cambio de energía - PdV, donde P es la presión. Pero la suma de energía en una caja de energía de vacío realmente se incremente cuando el volumen crece, dv es positivo, porque la energía es igual a.v, donde (rho) es la densidad de energía de la constante cosmológica. Por tanto, P ha de ser negativa y, de hecho, P = -, significando que la ecuación de estado tiene la forma: W = - P/, sin variación temporal (es, por consiguiente, constante). Hay otras ideas alternativas, como la de la quintaesencia, la cual no se trata aquí, y oras. Algunos teóricos piensan que la energía oscura y la aceleración cósmica son un fallo de la relatividad general en escalas muy grandes, mayores que los supercúmulos de galaxias. Es una tremenda extrapolación pensar que la ley de la gravedad, que funciona tan bien en el sistema solar, debería trabajar sin corrección a escala universal. Se han realizado muchos intentos de modificar la relatividad general; sin embargo, han resultado ser equivalentes a las teorías de la quintaesencia o inconsistentes con las observaciones. Agujeros negros En primer lugar, no hay que confundir la materia oscura, materia no visible, con los agujeros negros. Se entiende por agujero negro una región finita del espacio en cuyo interior existe una concentración de masa lo suficientemente elevada como para generar un campo gravitatorio tal que ninguna partícula material, ni siquiera la luz, puede escapar de ella. En el siglo XVIII, el matemático y Físico francés Pierre Simon de Laplace ( ) predijo la existencia de los agujeros negros como cuerpos celestes en el Universo de cuerpos cuya densidad sería tan elevada que su velocidad de escape sería superior a la 7

8 velocidad de la luz, de modo que ni la luz conseguiría huir de la fuerza de atracción de tales cuerpos y, por lo tanto, permanecería atrapada para siempre en el interior de su campo gravitatorio. Dado que un cuerpo así no podría emitir luz, resultaría completamente invisible y podríamos imaginarlo únicamente como un gran agujero, negro en lo que a observación se refiere. Según la teoría de la relatividad general de Einstein, el espacio y el tiempo están afectados por la presencia de cuerpos masivos, y que el campo gravitatorio es equivalente a una distorsión del espacio-tiempo. En este contexto, como explicaremos en otro artículo, sobre la naturaleza de la luz y el efecto de los campos gravitacionales sobre ella (la luz es atraída por grandes masas y se curva al pasar por un campo gravitatorio intenso), se puede justificar la idea de la existencia de agujeros negros en el universo. Están rodeados de una frontera esférica llamada "horizonte de sucesos" que permite que la luz entre pero no salga. Los agujeros negros, deben su nombre (1967) al astrofísico estadounidense John Wheeler ( ). No son más que el producto final de la evolución de estrellas de gran masa (aproximadamente una masa superior a 10 masas solares). En las estrellas hay un equilibrio inestable entre la presión hacia el exterior, ejercida por la radiación que producen las reacciones nucleares que tienen lugar dentro de ella, y la presión hacia el interior debida a su propia masa. A medida que se agotan las reservas de hidrógeno, se atenúa también la presión hacia afuera de la radiación y la estrella va hacia una nueva contracción gravitatoria. Entonces, la temperatura central sufre un nuevo aumento y se inician nuevas reacciones de fusión que, esta vez, utilizan los productos de las reacciones anteriores. De esta manera, la contracción gravitatoria se bloquea y la estructura interna de la estrella vuelve a estabilizarse. Cuando la estrella ha agotado todas sus reservas de combustible nuclear y ya no son posibles más reacciones, va hacia su última y definitiva contracción. En la práctica, es un paso que supone la muerte de la estrella. El destino de una estrella muriendo viene determinado únicamente por la masa. Si la estrella tiene una masa inferior a pocas masas solares, continúa contrayéndose hasta apagarse lentamente. Si la masa es muy grande, de al menos 10 masas solares, acaba 8

9 su existencia con una enorme explosión durante la cual emite en pocos segundos tanta energía como la que puede emitir el Sol en toda su vida. Un acontecimiento así se llama explosión de supernova, y produce inmensas nubes de gases en expansión, que son las capas más externas de la estrella arrojadas al espacio. Pero la estrella deja tras de sí una huella más lábil de su existencia: con la explosión, su núcleo sufre lo que se llama un colapso gravitatorio completo, durante el cual toda la masa que queda se agrega en una esfera de dimensiones extremadamente compactas y de una densidad igual a veces la del núcleo atómico. Se trata, en realidad, de una masa equivalente más o menos, a 10 veces la del Sol, concentrada en una esfera de pocos kilómetros de diámetro. Se forma de este modo un agujero negro En la figura se recrea un agujero negro debido al colapso de una enana blanca. A modo de conclusión Las leyes de la Física Clásica (leyes de la Física anteriores al siglo XX) son leyes mecanicistas y tienen una validez relativa, dado que no son aplicables distancias superqueñas ni supergrandes, es decir, al mundo submicroscópico (léase atómico y subatómico ) ni a distancias enormes como ocurre en Cosmología. Por ello, la búsqueda del conocimiento, más allá de los fenómenos próximos de mundo visible exige una nueva metodología, nuevos modelos, teorías y métodos de investigación; en dos palabras, nuevos paradigmas. La experimentación en cosmología es muy diferente de la experimentación clásica, reproducible en cualquier laboratorio, de ahí que las nuevas conjeturas, que llevan a conclusiones que deben constatarse en la observación cosmológica suelen tener explicaciones divergentes. Por ejemplo, en el caso de los fenómenos asociados a la hipótesis de existencia de la materia oscura y la energía oscura se han interpretado bajo modelos e hipótesis distintas, cada una de las cuales habría de confirmarse a través de las conclusiones que se derivan de cada modelo, lo cual hoy por hoy no se han constatado ni refutado de forma 9

10 definitiva. Lo que conocemos es un pequeñísima parte del universo, o sea, no tenemos ni idea de lo que ocurre, si nos atenemos a que conocemos un pequeño porcentaje de los elementos que componen el universo y los fenómenos que en él acontecen. Respecto a la idea de los agujeros negros, se supone la existencia de agujero negro en el centro de todas las galaxias. La existencia de los agujeros negros es bien consistente, si se tiene en cuenta el movimiento de las galaxias y el movimiento de alejamiento y acercamiento, respecto de la Tierra, de muchas estrellas. En un sistema binario formado por una estrella y un agujero negro, los dos cuerpos se mueven en una órbita en torno a un centro común (centro de masas de la estrella y del agujero negro). El agujero negro no se ve, pero la estrella si se puede ver. Debido al movimiento de la estrella en torno al centro del sistema binario, desde la Tierra se ve como si ésta se alejara y acercara cíclicamente. Este fenómeno se ha confirmado observando el efecto Doppler de la luz emitida por la estrella. Alguien que observase la formación de un agujero negro desde el exterior, vería una estrella cada vez más pequeña y roja hasta que, finalmente, desaparecería. Su influencia gravitatoria, sin embargo, seguiría intacta. Las ideas y modelos respecto a agujeros negros, si bien presenta conclusiones y nuevos problemas que habrían de resolverse, parece bien consistente. 10