Una mirada detallada al Universo revela que está hecho de materia y no de antimateria, tan oscura … se requiere materia y energía oscura, y que no conocemos el origen de ninguno de estos misterios. Sin embargo, las fluctuaciones en el CMB, la formación y las correlaciones entre la estructura a gran escala y las observaciones modernas de lentes gravitacionales apuntan hacia la misma imagen.
CHRIS BLAKE Y SAM MOORFIELD
No importa cuánto intentemos ocultarlo, hay un enorme problema que nos mira a la cara cuando se trata del Universo. Si entendiéramos sólo tres cosas:
- las leyes que rigen el Universo,
- los componentes que conforman el Universo,
- y las condiciones que el Universo comenzó con,
nos gustaría ser capaces de hacer la cosa más notable de todos. Podríamos escribir un sistema de ecuaciones que, con una computadora lo suficientemente poderosa a nuestra disposición, describiría cómo el Universo evolucionó con el tiempo para transformarse de esas condiciones iniciales en el Universo que vemos hoy.
Cada evento que ocurrió en nuestra historia cósmica — hasta los límites del caos clásico y el indeterminismo cuántico-podría conocerse y describirse con gran detalle, desde las interacciones individuales entre partículas cuánticas hasta las escalas cósmicas más grandes de todas. El problema al que nos enfrentamos, cuando tratamos de hacer exactamente eso, es que a pesar de todo lo que sabemos sobre el Universo, lo que predecimos y lo que observamos no coinciden a menos que agreguemos al menos dos ingredientes misteriosos: algún tipo de materia oscura y algún tipo de energía oscura. Es un rompecabezas extraordinario para resolver, y algo que todo astrofísico tiene que tener en cuenta. Si bien a muchos les encanta presentar alternativas, todas son incluso peores que la solución insatisfactoria de la materia oscura y la energía. Aquí está la ciencia del por qué.
Un anillo casi perfecto del efecto de lente gravitacional de la masa en primer plano. Estos Einstein … los anillos, una vez solo una predicción teórica, ahora se han visto en muchos sistemas de lentes diferentes, en varios grados de perfección. Esta forma de» herradura » es común cuando la alineación es casi perfecta, pero no del todo.
ESA/Hubble & NASA
Hay una gran cantidad de mediciones que se pueden hacer, que han ayudado a revelar la naturaleza del Universo. Hemos medido las órbitas de los planetas y la desviación de la luz debido a la presencia de masa, lo que demostró que la Relatividad General de Einstein y no las leyes de gravitación universal de Newton describen mejor nuestra realidad. Hemos descubierto el comportamiento de partículas subatómicas, antipartículas y fotones, revelando las fuerzas y campos cuánticos que gobiernan nuestro Universo. Si queremos simular cómo evolucionó el Universo a través del tiempo, tenemos que tomar las leyes conocidas y demostrablemente correctas en las escalas que hemos probado y aplicarlas al cosmos en su conjunto.
También hemos podido medir toda una serie de propiedades sobre todos los objetos que podemos observar en todo el Universo. Hemos aprendido cómo brillan y emiten luz las estrellas, y podemos decir mucho sobre una estrella: cuán masiva, caliente, luminosa, vieja, rica en elementos pesados, etc. – sólo mirando su luz de la manera correcta. Además, se han identificado muchas otras formas de materia, como planetas, cadáveres estelares, estrellas fallidas, gas, polvo, plasma e incluso agujeros negros.
Esta imagen de la galaxia NGC 1275, tomada por el Hubble, muestra la brillante y activa radiografía de la galaxia … galaxia emisora en el centro del cúmulo de Perseo. Se pueden ver filamentos ionizados de gas, un núcleo central y una estructura compleja, y podemos inferir la presencia de un agujero negro de ~mil millones de masa solar en el centro. Hay mucha materia normal aquí, pero algo más que solo materia normal, también.
NASA, ESA, Hubble Heritage (STScI/AURA)
Estamos en camino de realizar una especie de «censo cósmico», donde podemos sumar toda la materia y energía del Universo y lo que lo compone. Además de la materia, hemos identificado antimateria en pequeñas cantidades. No hay estrellas ni galaxias ahí fuera, dentro de nuestro Universo visible, hechas de antimateria en lugar de materia normal, pero hay chorros de antimateria que fluyen de motores naturales de alta energía como agujeros negros y estrellas de neutrones. También hay neutrinos que se aceleran a través del Universo, diminutos en masa pero enormes en número, generados durante el Big Bang caliente y también a partir de procesos nucleares en estrellas y cataclismos estelares.
El problema, por supuesto, es que cuando tomamos todos los ingredientes que hemos medido directamente, aplicamos las ecuaciones que gobiernan el Universo al cosmos en su conjunto, y tratamos de unirlo todo, no tiene sentido. Las leyes que conocemos y los ingredientes que hemos descubierto directamente, cuando se combinan, no pueden explicar el Universo como lo vemos. En particular, hay algunas observaciones que parecen excluirse mutuamente si queremos examinar la hipótesis nula: que lo que vemos y lo que sabemos es todo lo que hay.
Una galaxia que fuera gobernada solo por materia normal (L) mostraría velocidades de rotación mucho más bajas … las afueras que hacia el centro, similar a cómo se mueven los planetas en el Sistema Solar. Sin embargo, las observaciones indican que las velocidades de rotación son en gran medida independientes del radio (R) del centro galáctico, lo que lleva a la inferencia de que una gran cantidad de materia invisible u oscura debe estar presente.
USUARIO DE WIKIMEDIA COMMONS INGO BERG / FORBES/E. SIEGEL
Ya ha oído hablar de la materia oscura antes, y la razón por la que probablemente haya oído que la necesitamos es que «no hay suficiente materia normal para explicar todos los efectos de la gravedad que vemos.»La pregunta más común que hacen los astrofísicos es:» bueno, ¿y si hay más materia normal ahí fuera que los tipos de materia que somos buenos detectando? ¿Qué pasa si la’ materia oscura ‘ es solo materia más normal que resulta ser oscura?»
El problema con esa idea es que sabemos, a partir de las observaciones que ya tenemos, cuánta materia normal en total existe dentro del Universo visible. El Universo era más caliente y denso en el pasado, y cuando las cosas estaban lo suficientemente calientes y densas, solo podían existir protones y neutrones libres. Si intentaban unirse en cualquier combinación de núcleos más pesados, el Universo era tan energético que serían destruidos de inmediato. Los elementos más ligeros que existen:
- hidrógeno (1 protón),
- deuterio (1 protón y 1 neutrón),
- helio-3 (2 protones y 1 neutrón),
- helio-4 (2 protones y 2 neutrones),
- y litio-7 (3 protones y 4 neutrones)
se crearon en los primeros 3-4 minutos del Universo, formándose solo después de que el Universo se enfríe lo suficiente para que no se destruyan instantáneamente.
Las fuentes de luz distantes – de galaxias, cuásares e incluso del fondo cósmico de microondas – deben … pasar a través de nubes de gas. Las características de absorción que vemos nos permiten medir muchas características de las nubes de gas intermedias, incluidas las abundancias de los elementos ligeros del interior.
Ed Janssen, ESO
Lo que es notable es que, debido a que las leyes de la física que gobiernan las partículas (y la fusión nuclear) son tan bien entendidas, podemos calcular exactamente-suponiendo que el Universo alguna vez fue más caliente, más denso, y expandido y enfriado desde ese estado — cuáles deberían ser las diferentes proporciones de estos diferentes elementos de luz. Incluso hemos estudiado las reacciones en el laboratorio directamente, y las cosas se comportan exactamente como lo predice nuestra teoría. El único factor que variamos es la relación fotón-barión, que nos dice cuántos fotones cósmicos (partículas de luz) hay para cada protón o neutrón (los bariones) en nuestro Universo.
Ya lo hemos medido todo. Satélites como COBE, WMAP y Planck han medido cuántos fotones hay en el Universo: 411 por centímetro cúbico de espacio. Las nubes de gas que aparecen entre nosotros y una fuente de luz distante, como una galaxia luminosa o un cuásar, absorberán una fracción de la luz a medida que viaja a través del Universo, enseñándonos la abundancia de estos elementos e isótopos directamente. Cuando sumamos todo, solo ~5% de la energía total en el Universo puede ser materia normal: ni más ni menos.
Las abundancias predichas de helio-4, deuterio, helio-3 y litio-7 según lo predicho por Big Bang … Nucleosíntesis, con observaciones mostradas en los círculos rojos. Esto corresponde a un Universo donde ~4-5% de la densidad crítica está en forma de materia normal. Con otro ~25-28% en forma de materia oscura, solo alrededor del 15% de la materia total en el Universo puede ser normal, con un 85% en forma de materia oscura.
NASA / WMAP Science Team
Hay todo tipo de observaciones, además de las mencionadas aquí, que nos tiene en cuenta. Una ley universal de la naturaleza no es buena si solo funciona bajo ciertas condiciones selectas; tienes que ser capaz de explicar una amplia variedad de fenómenos cósmicos si quieres que tu cosmología propuesta sea tomada en serio. Tienes que explicarme.:
- la red cósmica de estructura que vemos en nuestro Universo y cómo se formó,
- los tamaños, masas y estabilidad de galaxias individuales,
- las velocidades de las galaxias que giran alrededor de los cúmulos de galaxias,
- las fluctuaciones de temperatura impresas en la radiación de fondo de microondas cósmica: el resplandor sobrante del Big Bang,
- las lentes gravitacionales observadas alrededor de los cúmulos de galaxias, tanto aislantes como en proceso de colisión,
- y cómo la tasa de expansión del Universo cambia con el tiempo de la manera exacta que hemos observado que cambia.
Hay muchas otras observaciones que podemos incluir en esta selección, pero estas fueron elegidas por una razón específica: en un Universo hecho solo de materia normal, radiación y neutrinos en sus cantidades observadas, no podemos explicar ninguna de estas observaciones. Para explicar el Universo que vemos, se necesita algo adicional.
Cuatro cúmulos de galaxias en colisión, que muestran la separación entre los rayos X (rosa) y la gravitación (azul),… indicativo de materia oscura. A gran escala, la materia oscura fría es necesaria, y ninguna alternativa o sustituto servirá. Sin embargo, mapear el gas caliente que crea la luz de rayos X (rosa) no es necesariamente una muy buena indicación de dónde está la masa total, como indica la distribución de la materia oscura (azul).Rayos X: NASA/CXC / UVic.A. Mahdavi et al. Óptica / Lentes: CFHT / UVic.A. Mahdavi et al. (arriba a la izquierda); Rayos X: NASA/CXC/UCDavis/W. Dawson et al.; Óptica: NASA / STScI/ UCDavis / W. Dawson et al. (arriba a la derecha); ESA/XMM-Newton/F. Gastaldello (INAF/ IASF, Milán, Italia)/CFHTLS (abajo a la izquierda); Rayos X: NASA, ESA, CXC, M. Bradac (Universidad de California, Santa Bárbara) y S. Allen (Universidad de Stanford) (abajo a la derecha)
En principio, se podría imaginar que solo un nuevo ajuste podría explicar todo. Que tal vez, si fuéramos lo suficientemente inteligentes, podríamos agregar un nuevo ingrediente o hacer una modificación a nuestras reglas que explicara todas estas observaciones juntas. Esa fue la idea original detrás de la materia oscura, por cierto, ya que fue propuesta por primera vez en la década de 1930 por Fritz Zwicky. Fue el primero en medir las velocidades de las galaxias que giran alrededor de los cúmulos de galaxias, y descubrió que tenía que haber aproximadamente 100 veces más masa de la que las estrellas podían representar. Planteó la hipótesis de un nuevo ingrediente, la materia oscura, que podría explicar todo.
Sabemos que la materia oscura, a partir de observaciones y experimentos, no se puede hacer de ninguna de las partículas conocidas que existen dentro del Modelo Estándar de la física. Hemos aprendido que la materia oscura no podía haber estado caliente, ni moverse rápidamente, ni siquiera desde el principio; tiene que ser bastante masiva o tiene que haber nacido sin mucha energía cinética. Hemos aprendido que no puede interactuar a través de la fuerza fuerte, electromagnética o débil de ninguna manera apreciable. Y hemos aprendido que, si agregamos este ingrediente de materia oscura fría al Universo, casi todas las observaciones se alinean.
Este fragmento de una simulación de formación de estructuras, con la expansión del Universo escalado,… representa miles de millones de años de crecimiento gravitacional en un Universo rico en materia oscura. Tenga en cuenta que los filamentos y los racimos ricos, que se forman en la intersección de filamentos, surgen principalmente debido a la materia oscura; la materia normal juega un papel menor.
Ralf Kähler y Tom Abel (KIPAC) /Oliver Hahn
Solo con la materia oscura, podemos explicar muchas de las observaciones que no podemos explicar sin ella. Tenemos una red cósmica; obtenemos cúmulos estelares que se fusionan en galaxias pequeñas que crecen en galaxias grandes y eventualmente cúmulos de galaxias; obtenemos galaxias de rápido movimiento dentro de esos cúmulos; obtenemos una separación entre el gas caliente y los efectos de la gravedad cuando colisionan cúmulos de galaxias; obtenemos galaxias que giran tan rápidamente por fuera como por dentro; obtenemos lentes gravitacionales significativas, consistentes con las observaciones; obtenemos fluctuaciones de temperatura que concuerdan con el fondo cósmico de microondas y que explican la probabilidad de encontrar una galaxia a una distancia particular de cualquier otra galaxia.
Pero no lo entendemos todo. La materia oscura es la única «cosa» extra que podemos agregar, y resulta ser un ingrediente en lugar de una modificación, para resolver el mayor número de estos problemas de una sola vez, pero no nos da todo. No resuelve el problema (más grande) de la tasa de expansión, y no explica el rompecabezas (más pequeño) de por qué, a pesar de superar la materia normal en una proporción de 5 a 1, el Universo es espacialmente plano. De alguna manera, un total de 2/3 de la energía total del Universo no se contabiliza.
Los diferentes destinos posibles del Universo, con nuestro destino real y acelerado mostrado a la derecha. … Después de que pase el tiempo suficiente, la aceleración dejará a todas las estructuras galácticas o supergalácticas atadas completamente aisladas en el Universo, ya que todas las demás estructuras se aceleran irrevocablemente. Solo podemos mirar al pasado para inferir la presencia y las propiedades de la energía oscura, que requieren al menos una constante, pero sus implicaciones son mayores para el futuro.
NASA & ESA
La energía oscura, por supuesto, es el segundo ingrediente adicional que podemos agregar para explicar el resto de las observaciones. Funciona como una forma de energía inherente al espacio mismo, que solo se vuelve importante cuando el Universo se ha expandido para diluirse y difundirse lo suficiente. Constituye la mayor parte de la energía del Universo hoy en día, después de no ser importante durante los primeros ~7+ mil millones de años. Y hace que las galaxias distantes se aceleren, en lugar de desacelerarse, a medida que se alejan de nosotros en el Universo en expansión.
No hay una sola modificación que explique todas estas observaciones juntas. De hecho, cualquier otra modificación que pueda hacer, ya sea cambiando las leyes o agregando un nuevo ingrediente, resolverá menos de estos problemas que la materia oscura o la energía oscura. La mayoría de las ideas que compiten por ahí, como:
- modificar las leyes de la gravedad,
- tener la energía oscura como un campo dinámico o entidad que evoluciona con el tiempo,
- o inventar algún tipo de materia oscura en descomposición o energía oscura temprana,
tener uno (o ambos) de dos defectos fatales. O bien requieren más de los dos nuevos parámetros que se agregan por la materia oscura y la energía oscura, o no logran resolver todos los problemas que la adición de materia oscura y energía oscura resuelve.
Esta impresión artística representa concentraciones a pequeña escala de materia oscura en el cúmulo de galaxias … MACSJ 1206. Los astrónomos midieron la cantidad de lentes gravitacionales causadas por este cúmulo para producir un mapa detallado de la distribución de la materia oscura en él. Debe haber una subestructura de materia oscura a pequeña escala presente para dar cuenta de estas observaciones.
ESA / Hubble, M. Kornmesser
En la ciencia, la mayoría de la gente hace uso de la navaja de Occam, la noción de que, dada la elección entre explicaciones, la más simple suele ser la mejor, erróneamente. No es más sencillo modificar la gravedad que agregar materia oscura y energía oscura, no si esa modificación requiere dos o más parámetros añadidos. No es más sencillo introducir un tipo de energía oscura que no sea una constante cosmológica; esta última es la clase de energía oscura más «vainilla» que existe, y funciona para todo. En su lugar, tendrías que hacer algo como inventar una explicación que introdujera solo una nueva entidad, reemplazando la materia oscura y la energía oscura juntas.
Por desconcertante que sea, la materia oscura y la energía oscura son la explicación más simple. Una idea de fluido oscuro en sí misma necesita múltiples parámetros libres. El nuevo MOND relativista introducido a principios de este año o la antigua gravedad tensor-vector-escalar de Bekenstein no solo agrega al menos tantos parámetros como materia oscura y energía oscura, sino que aún no pueden explicar los cúmulos de galaxias. El problema no es que la materia oscura y la energía oscura simplemente tengan que estar en lo cierto. Es que todas las demás ideas son objetivamente peores. Sea lo que sea lo que realmente está pasando con nuestro Universo, nos debemos a nosotros mismos continuar la investigación. Es la única manera de saber cómo funciona la naturaleza, simple o no.