El universo ex¨®tico

Recopilamos algunas de las muchas preguntas que fuimos presentando en los ¨²ltimos art¨ªculos: ?Hay cosas que no vemos y que escapan a nuestros telescopios? ?Hay materia que ni emite ni refleja la luz, que pasa de ella completamente? ?Y si mirar no es la ¨²nica ni siquiera la mejor forma de conocer el universo?

En realidad, la respuesta a todas esas preguntas ya la dimos en el primer art¨ªculo dedicado a la luz: la materia oscura existe s¨ª o s¨ª. Dijimos que otra cosa es el exotismo de la materia oscura. Y para los astrof¨ªsicos el concepto de materia oscura es ex¨®tico. Lo explicamos a continuaci¨®n con bastantes m¨¢s preguntas.

Los fil¨®sofos presocr¨¢ticos consideraban que la materia estaba constituida por cuatro elementos b¨¢sicos y, hoy en d¨ªa, pensamos que la existencia de todo lo que vemos a nuestro alrededor se basa en cuatro tipos de interacciones entre part¨ªculas llamadas campo fuerte, d¨¦bil, gravitatorio y electromagn¨¦tico.

Los protones y neutrones forman los n¨²cleos de ¨¢tomos, y ellos mismos est¨¢n formados por quarks que permanecen juntos porque existe una interacci¨®n llamada fuerte, que es extremadamente potente, de ah¨ª su nombre (los f¨ªsicos no se quiebran la cabeza con los nombres). Es tan potente que los protones pueden mantenerse juntos en los n¨²cleos de los ¨¢tomos incluso aunque tengan cargas el¨¦ctricas positivas. Pero el campo electromagn¨¦tico, que es repulsivo para cargas iguales, es menos intenso que la interacci¨®n fuerte a escalas subat¨®micas.

Otro campo es el llamado d¨¦bil, que tiene una intensidad cien veces menor que la interacci¨®n fuerte (de ah¨ª su nombre, m¨¢s simpleza ling¨¹¨ªstica para algo que no es nada sencillo). La interacci¨®n d¨¦bil es extremadamente importante, por ejemplo es la responsable de que uno los 3 quarks que componen los neutrones cambie de propiedades (el llamado ¡°sabor¡±, m¨¢s historia con los nombres que dan los f¨ªsicos) y estos ¨²ltimos no sean estables, sino que tiendan a convertirse en protones (salvo que est¨¦n en un n¨²cleo at¨®mico). Este fen¨®meno parece poco relevante para cualquier persona, pero explica que la mayor parte de los ¨¢tomos del universo sean de hidr¨®geno, y este se haya podido juntar con ox¨ªgeno para dar algo tan importante para la vida como es el agua. Sin la fuerza d¨¦bil, en los primeros minutos del universo los neutrones habr¨ªan resistido enteritos y se habr¨ªan combinado con protones para formar n¨²cleos como los de helio, al que le gusta combinarse poco, as¨ª que la qu¨ªmica habr¨ªa sido bastante aburrida y no existir¨ªa el mundo que conocemos.

La ¨²ltima interacci¨®n fundamental es la gravitatoria, que en principio act¨²a sobre cosas que tienen masa y es siempre atractiva. Los fotones, que son la representaci¨®n en part¨ªcula del campo electromagn¨¦tico, se dice que son sus mensajeros, no tienen masa. ?Les afecta el campo gravitatorio? Si nos ce?imos a la Ley de Gravitaci¨®n Universal de Newton, que establece que la fuerza gravitatoria entre 2 objetos depende de la multiplicaci¨®n de sus masas, la respuesta ser¨ªa no. Pero hoy est¨¢ demostrado, gracias a la Relatividad General de Einstein, que a los fotones s¨ª les afecta la gravedad, incluso aunque no tengan masa. El efecto es extremadamente peque?o, pero existe y da lugar a algunas de las im¨¢genes m¨¢s bonitas del universo, como son las cruces de Einstein, y a que existan los agujeros negros.

Los neutrinos que crea el Sol t¨ªpicamente pueden atravesar todo el material de nuestra estrella sin inmutarse, mientras que los fotones tardan cientos de miles de a?os

A los fotones, entonces, que son los portadores del campo electromagn¨¦tico, pr¨¢cticamente no les afecta otra fuerza fundamental como es la gravitatoria. ?Hay part¨ªculas a las que no afecta el campo electromagn¨¦tico y solo interaccionan con otras part¨ªculas a trav¨¦s de alg¨²n otro campo fundamental? Ser¨ªan part¨ªculas que no son nada sociables con los fotones, de ning¨²n tipo, visibles, rayos-X, infrarrojos,..., que no interaccionan con ellos. La respuesta es s¨ª, las hay: los neutrinos, que adem¨¢s no se relacionan tampoco con campo fuerte ni tienen gran masa para interaccionar mucho gravitatoriamente. Solo sabemos de ellas por la fuerza d¨¦bil, que es muy poco intensa, as¨ª que por ejemplo los neutrinos que crea el Sol t¨ªpicamente pueden atravesar todo el material de nuestra estrella sin inmutarse, mientras que los fotones tardan cientos de miles de a?os. Los neutrinos, adem¨¢s, pasan a trav¨¦s de nosotros y de toda la Tierra sin que nada los pare o los desv¨ªe (pr¨¢cticamente).

?Hay part¨ªculas como los neutrinos, pero que tienen masas m¨¢s grandes que ellos y que no interaccionan pr¨¢cticamente con nada de lo que conocemos, sobre todo con los campos electromagn¨¦ticos? Pues la respuesta para los astrof¨ªsicos, y para muchos f¨ªsicos de part¨ªculas, es s¨ª, tienen que existir, pero no las hemos descubierto a¨²n de forma directa. Estas part¨ªculas interaccionan con otras con fuerza d¨¦bil como los neutrinos, pero tienen una masa bastante mayor. En ingl¨¦s ser¨ªan weakly interacting massive particles, WIMP, part¨ªculas masivas que interaccionan d¨¦bilmente.

Llamar WIMP a esas part¨ªculas es como hablar de fruta, es un nombre muy gen¨¦rico, y no nos dice gran cosa de sus particularidades. Podr¨ªan ser ¡°sand¨ªas¡± o ¡°cerezas¡±. Seg¨²n nuestros estudios sobre las galaxias, c¨²mulos de galaxias y el comportamiento global del universo, tenemos bastantes pruebas de su existencia, deben ser la materia m¨¢s abundante que existe, un 85% de todo lo que tiene masa, dejando solo un 15% para nuestros protones, neutrones, electrones, neutrinos,... Al ser materia que no interacciona con fotones, ni los absorbe y se calienta ni los emite y se enfr¨ªa, es materia que no podemos o es muy dif¨ªcil detectar con radiaci¨®n electromagn¨¦tica, no la vemos, es ¡°materia oscura¡± pata negra, nuestra definici¨®n precisa para los astrof¨ªsicos. Podr¨ªa calificarse como materia ¡°procedente de un lugar lejano y percibida como muy distinto del propio¡±, ser¨ªa materia oscura ex¨®tica de acuerdo a la RAE.

Nuestro ¨²nico problema, bastante gordo es verdad, es que no hemos conseguido aislar ning¨²n WIMP en un laboratorio, y lo hemos intentado. Y por eso este tipo de materia nos resulta ¡°extra?a, chocante, extravagante¡±, otra de las acepciones de ex¨®tica. O nos hemos equivocado mucho o a¨²n no hemos sido capaces de detectarla, lo cual no es impensable porque estamos buscando algo que no interacciona casi con la materia normal ni con los fotones y lo estamos haciendo precisamente con instrumentos basados en materia normal y fotones. Es como querer coger agua con una raqueta de tenis. Cualquiera que sea la respuesta, tanto si los WIMPs existen como si no, significar¨¢ un gran descubrimiento cient¨ªfico cuando la encontremos, sabremos mejor de qu¨¦ material est¨¢ hecho la mayor parte del universo.

Pablo G. P¨¦rez Gonz¨¢lez es investigador del Centro de Astrobiolog¨ªa, dependiente del Consejo Superior de Investigaciones Cient¨ªficas y del Instituto Nacional de T¨¦cnica Aeroespacial (CAB/CSIC-INTA)

Patricia S¨¢nchez Bl¨¢zquez es profesora titular en la Universidad Complutense de Madrid (UCM)

Vac¨ªo C¨®smico es una secci¨®n en la que se presenta nuestro conocimiento sobre el universo de una forma cualitativa y cuantitativa. Se pretende explicar la importancia de entender el cosmos no solo desde el punto de vista cient¨ªfico sino tambi¨¦n filos¨®fico, social y econ¨®mico. El nombre ¡°vac¨ªo c¨®smico¡± hace referencia al hecho de que el universo es y est¨¢, en su mayor parte, vac¨ªo, con menos de 1 ¨¢tomo por metro c¨²bico, a pesar de que en nuestro entorno, parad¨®jicamente, hay quintillones de ¨¢tomos por metro c¨²bico, lo que invita a una reflexi¨®n sobre nuestra existencia y la presencia de vida en el universo.

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