Lo oculto de la materia

Tonatiuh Matos Chassin

Departamento de Física del Cinvestav

La ciencia es la disciplina que tenemos los seres humanos para entender el universo, el cual está conformado esencialmente de materia y energía, y por ahora no entendemos qué pueden ser los componentes más importantes de la materia del universo.

No cabe duda que la ciencia tiene un serio problema. La razón es que los astrónomos han encontrado que las estrellas de las galaxias giran demasiado rápido para entender su estabilidad. Con grandes telescopios ópticos ellos son capaces de medir la cantidad de estrellas que hay en una galaxia, pueden estimar con más o menos buena precisión cuánta masa de estrellas hay. Sin embargo, las galaxias también tienen grandes contenidos de gas y polvo que no iluminan el firmamento. Para verlos, los astrónomos se valen de radiotelescopios que pueden ver en regiones del espectro electromagnético menos energéticas y por tanto más frías. Entonces juntan ambas observaciones y con esto pueden dar una estimación muy buena de la cantidad de masa y a qué radio de la galaxia se encuentra.

En los últimos años, este proceso se hace con mucha precisión, combinando telescopios ópticos, radiotelescopios y el nuevo telescopio Spitzer. Este último puede ver en el infrarrojo y en la región de microondas, con todos ellos es posible medir bien el contenido material de muchas galaxias. El resultado es siempre el mismo, la fuerza de gravedad no es suficiente para explicar por qué las estrellas y el gas contenido en las galaxias gira tan rápido.

Si todo fuera como la teoría de Newton predice, la fuerza de gravedad debe compensar la fuerza centrípeta provocada por el movimiento de rotación de las estrellas y el gas, entre más rápido giren las estrellas, debería de haber más masa en la parte central. Pero al medir la velocidad de rotación del gas y las estrellas, el resultado es que giran a velocidades que, según la materia en el centro observada, implicaría que deberían salir volando fuera de la galaxia, lo cual evidentemente no es así. Las galaxias son objetos muy estables y hay muchas evidencias de que han estado ahí por miles de millones de años, girando tranquilas, alumbrando el universo.

El modelo más aceptado por la comunidad que explica esto se llama materia oscura fría, (Cold Dark Matter, CDM por sus siglas en inglés). Este modelo propone que la materia oscura o faltante en las galaxias se debe a una partícula pesada, que por su masa se mueve lentamente, por lo tanto es fría. También explica muy bien todas las mediciones que se han hecho de la radiación de fondo del universo, la cual se ha medido con una precisión sin precedente, a tal grado que ha llevado a la cosmología a la era de la física de alta precisión. Así como el espectro de masa del universo, es decir, el conteo del tamaño de las estructuras que se ven, pues las galaxias se agrupan en cúmulos de galaxias, supercúmulos de galaxias, etcétera, y este conteo de las diferente estructuras lo podemos explicar con muy buena precisión usando el modelo CDM.

Recientemente se han hecho simulaciones numéricas utilizando este modelo como materia oscura para recrear el universo. El resultado es sorprendente, tomando este tipo de materia oscura las galaxias evolucionan en la computadora de tal forma que al final se obtiene un universo que es muy parecido al que observamos, incluso en su contenido químico. Los resultados han dejado boquiabierto a todos, por la forma tan impresionante en que estos dos mundos se parecen. Por eso los científicos pensamos que si el modelo de CDM no es la respuesta final, es una propuesta muy cercana a la realidad.

Hay varios candidatos para ser la partícula de CDM, la mayoría vienen de extensiones del modelo estándar en donde se le agrega una nueva simetría al modelo llamado supersimetría. Lamentablemente ésta se esperaba ver en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés) pero no fue así. El otro candidato es una partícula llamada “axión”, necesaria para quitar “infinitos” en la teoría de las fuerzas nucleares, que es aún un buen candidato pero con algunas modificaciones. En pocas palabras, el modelo de CDM tiene candidatos aún no detectados, pero que los físicos esperan encontrar algún día con sus grandes aceleradores de partículas o con experimentos directos en minas a grandes profundidades. Para muchos es cuestión de tiempo; para unos pocos esto no va a suceder, al menos no para encontrar la materia oscura.

Sin embargo, el modelo de CDM ha mostrado varias propiedades que han sido la fuente de una gran controversia desde hace 20 años. Las dos principales son las siguientes: la primera es cuando se hacen simulaciones numéricas a escala galáctica con este modelo, lo que muestra que los centros de las galaxias son muy densos. El perfil de densidad fue encontrado por Julio Navarro, Carlos Frenk y Simon White. Ellos encontraron que la densidad en el centro se eleva mucho conforme nos acercamos al punto central de la galaxia.

Por otro lado, para los astrónomos ver esa parte de la galaxia es muy complicado, pues su centro está lleno de gas y polvo que no son transparentes a la luz, por tanto con telescopios ópticos es muy difícil ver ahí, más que algunas galaxias eran muy densas, pero otras muchas, definitivamente no. Otro problema fue que estas simulaciones numéricas, hechas en enormes clúster de computadoras, mostraban también la formación de un enorme número de galaxias satélite alrededor de las más grandes, como la nuestra.

Estas galaxias satélite son pequeñas y difíciles de ver, pero con los telescopios actuales deberían de identificarse algunos cientos, y no se ven. La conclusión fue que estos halos de materia oscura deben existir, pero no se ven porque son tan pequeños que no captaron estrellas. Sin embargo, desde hace 20 años se han buscado vestigios de estos halos sin estrellas y no se ha encontrado nada que los justifique. Claro que hay formas de darle la vuelta al problema, por ejemplo, se ha visto que las explosiones de supernova en las galaxias avientan una gran cantidad de materia a su alrededor, hacia los lados, provocando flujos de materia del centro hacia afuera. Usando simulaciones numéricas se puede demostrar que con suficientes supernovas es posible provocar que la materia oscura del centro se vaya de ahí y justificar los centros poco densos de las galaxias.

De la misma forma, con estas explosiones se puede justificar la no existencia de estrellas en algunos halos. El problema se presenta en las galaxias enanas, las muy pequeñas, ya que éstas muestran muy pocas estrellas y por tanto pocas explosiones de supernovas, y algunas de estas galaxias tienen de todas formas centros galácticos que no son muy densos y estas explosiones tendrían que explicar que cientos de halos no tienen estrellas, incluso halos suficientemente grandes o mayores a los que sí las tienen. Más aun, durante 30 años se han colocado detectores de materia oscura en tiros de minas muy profundas, evitando así la contaminación por rayos cósmicos y no se ha visto nada, lo que sumado a que el LHC no detectó esta materia en la región de energía en que todos esperaban, pone en duda que estas partículas existan. Esto también es un punto de controversia fuerte para este modelo. La controversia sigue y muchos científicos se han iniciado desde hace ya varios años con modelos alternativos de materia oscura.

En 1998 nosotros propusimos en Cinvestav un modelo alternativo que consiste en que la materia oscura podría ser una partícula ultra-ligera de espín cero, el cual llamamos el modelo de materia oscura escalar (Scalar Field Dark Matter, SFDM, por sus siglas en inglés). Este modelo ha sido redescubierto muchas veces con diferentes nombres, pero últimamente un grupo de investigadores, en el que destaca Jeremiah Ostriker, de la Universidad de Princeton, reconocido como uno de los más importantes cosmólogos del mundo, Scott Tremaine, de la Universidad de Columbia, uno de los más reconocidos astrónomos y el fundador de la teoría de cuerdas, y Edward Witten, del Instituto de Estudios Avanzados de Princeton, describieron el modelo como el más viable para resolver el problema de la materia oscura (aunque dando poco crédito al grupo mexicano).

Este artículo le ha dado un gran impulso al modelo, poniéndolo en la lista de los favoritos para resolver este problema. Las ventajas del modelo de SFDM son, sobre todo, que es idéntico al modelo de CDM a escalas cosmológicas, por lo que comparten predicciones y propiedades. Las diferencias son justo en donde CDM tiene problemas. SFDM predice naturalmente y de principios fundamentales, que las galaxias tienen perfiles planos en el centro, los cuales se parecen mucho a los perfiles observados por los astrónomos. Proponiendo la masa del campo escalar a ser ultra-ligera, se puede ajustar al número de halos observados por los astrónomos de una manera natural y de nuevo, de principios fundamentales, por lo que los dos principales problemas del modelo de CDM son resueltos naturalmente y de principios fundamentales, sin necesidad de parches, por el modelo de SFDM. Esto es lo que describen Ostriker, Tremaine y Witten en este artículo, algo que el grupo de Cinvestav describió hace 17 años.

Por si fuera poco, en noviembre de 2016 apareció un artículo liderado por Stacy McGaugh, quien utiliza el telescopio Spitzer y algunos radiotelescopios paraver el centro de las galaxias. Como ya platicamos antes, esto es ventajoso porque este telescopio ve en el infrarrojo, en tanto los radiotelescopios ven en ondas de radio, y afortunadamente estas frecuencias son transparentes al polvo y al gas que está en el centro de las galaxias. Con estos telescopios, el grupo de McGaugh estudió los centros de un grupo grande de galaxias y encontraron que esta materia sigue un patrón en el centro tal que, la aceleración de las estrellas y el polvo debido a la fuerza centrípeta, no necesita de la materia oscura.

Este resultado tiene fuertes implicaciones incluso para el modelo SFDM. Si lo encontrado por McGaugh es cierto, entonces el modelo de SFDM implica que la densidad superficial de las galaxias en el disco es constante y más aún, que muy cerca del centro de las galaxias, a unos 350 parcecs ─distancia a la que una unidad astronómica –ua- subtiende un ángulo de un segundo de arco (1”) ─­­, existe una región en donde la densidad de todas las galaxias es universal.

Lamentablemente este resultado es muy difícil de ver en galaxias gigantes, debido a que en el centro de éstas dominan el gas y las estrellas, la materia oscura es sólo un décimo de la materia bariónica. Sin embargo, esto podría ser visto en galaxias enanas. Confieso que al ver esta implicación pensamos que era el fin del modelo de SFDM, pues uno no esperaría que todas las galaxias tengan la misma densidad en el centro. Sin embargo, en 2008, un grupo de astrónomos de California midió la masa a 300 parcecs (muy cerca del centro) de 18 galaxias enanasque son satélites de la nuestra, galaxias satélites pequeñas, medianas y grandes. A su sorpresa e inexplicablemente, todas estas galaxias mostraban la misma masa en materia oscura, dada por 10^7 masas solares.

La muestra representaba galaxias en seis órdenes de magnitud en tamaño y todas tienen la misma masa a esa distancia. Por supuesto puede haber varias formas de explicar este fenómeno, pero el modelo de SFDM lo hace de una forma natural y de principios fundamentales. Para nosotros este resultado es sorprendente y puede ser un indicio de que el modelo SFDM está mucho más cerca de la realidad de la materia oscura que CDM. Es más, si estas observaciones se confirman, nuestro modelo puede ser el que finalmente tenga una explicación de la materia oscura.

Estamos en un momento emocionante para la cosmología, esperemos que Cinvestav dé un impulso mayor a esta área, ya que puede suceder que la respuesta final de la naturaleza del 25 por ciento de la materia del universo salga de nuestro centro. Al menos uno de los candidatos más importantes a ser materia oscura es ya propuesta de aquí, lo cual es un gran logro.

Fuente: Avance y Perspectiva

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