Cuestionada la teoría sobre la formación de la Luna

Un análisis químico de las rocas lunares cuestiona la teoría principal sobre la formación de la Luna según la cual el satélite nació cuando un cuerpo del tamaño de Marte chocó con la Tierra hace unos 4.500 millones de años.

Si ese fuera el caso, la Luna debería tener la firma química tanto de la Tierra como del supuesto objeto del impacto. Pero un estudio publicado en Nature Geoscience sugiere que la composición isotópica de la Luna refleja la única aportación de la Tierra.

Foto: APOD/NASA

Un equipo de investigadores de la Universidad de Chicago ha utilizado un espectrómetro de masas para hacer la medición más precisa hasta ahora de la abundancia relativa de titanio-50 y titanio-47 en las rocas de la Luna recogidas por las misiones Apolo en los años 70. Los autores informan que la proporción de los dos isótopos  en la Luna es idéntica a la que se encuentra en el manto de la Tierra.

Esto supone un enigma para el modelo de formación lunar, porque cualquier cuerpo del tamaño de Marte que pudiera haber chocado contra la Tierra se supone que hubiera tenido una composición química distinta. Los estudios de meteoritos muestran una abundancia isotópica de titanio que se desvía del valor terrestre en 600 partes por millón. Dado que las simulaciones del violento choque sugieren que el segundo cuerpo contribuyó en más de un 40% a la masa de la Luna, la relación isotópica lunar no debería ser tan próxima a la de la Tierra.

Estos hallazgos no suponen el primer desafío que ha sufrido la teoría más aceptada sobre la formación de nuestro satélite. Los investigadores han sabido durante mucho tiempo que la relación isotópica del oxígeno en las rocas de la Luna tiene la misma firma que el manto de la Tierra. Pero dado que el oxígeno se pudo evaporar fácilmente en la colisión, se podría haber producido un intercambio entre la Tierra y la nube de vapor y magma producida por el impacto, permitiendo que ambos cuerpos alcanzaran la misma cantidad isotópica. El titanio por el contrario, no se volatiliza tan fácilmente y habría sido más difícil, aunque no imposible, que ambos cuerpos hubieran llegado a la misma proporción.

Otros modelos dignos de ser tenidos en cuenta, incluyen el modelo de fisión, conforme al cual la Luna se habría desprendido del manto de la Tierra, cuando la fuerza centrífuga del planeta hubiera  sobrepasado su fuerza gravitacional en las fases iniciales de formación.

El grupo de investigación considera que aunque el modelo de colisión puede necesitar revisión, no debe ser descartado. Se ha modelado una colisión entre la Tierra y un protoplaneta con un tamaño de aproximadamente dos veces la masa de Marte, más pesado que el anteriormente considerado. Un segundo cuerpo más masivo habría alterado sustancialmente la composición isotópica original de la Tierra, llevando a la formación de una Luna y una Tierra en evolución que serían más similares que en simulaciones anteriores.

Artículo original


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Púlsares, un regalo para la física

Los púlsares, estrellas de neutrones superdensas, son quizás los más extraordinarios laboratorios de física en el universo. Las investigaciones sobre estos objetos exóticos y extremos ya han obtenido dos premios Nobel. Un grupo de  investigadores intenta poner a prueba la Relatividad General en condiciones de gravedad extremadamente fuertes y detectar directamente las ondas gravitacionales, utilizando toda la galaxia como un enorme telescopio.

Los púlsares son estrellas de neutrones girando a gran velocidad. Crédito de la imágen: Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF

Las estrellas de neutrones son los restos de estrellas masivas que explotaron como supernovas. Concentran más masa que el Sol en una esfera no más grande que una ciudad de tamaño mediano, lo que las convierte en los objetos más densos del universo, a excepción de los agujeros negros, para los que el concepto de densidad es teóricamente irrelevante. Los púlsares son estrellas de neutrones que emiten haces de ondas de radio hacia el exterior desde los polos de sus campos magnéticos. Cuando uno de estos haces alcanza la Tierra, los radio telescopios lo detectan como un pulso de ondas de radio.

Midiendo el tiempo de esos pulsos con precisión, los astrónomos pueden utilizar los púlsares para realizar un experimento único, en los límites de la física moderna. Tres científicos -Ingrid Stairs, de la Universidad de Columbia Británica, Benjamin Stappers de la Universidad de Manchester en el Reino Unido y Scott Ransom del Observatorio Nacional de Radioastronomía- han presentado los resultados de este trabajo, en la reunión de la Asociación Americana para el Avance de la Ciencia en Vancouver, Canadá.

Los púlsares están en la vanguardia de la investigación sobre la gravedad. Albert Einstein publicó su teoría de la Relatividad General en 1916, y su descripción de la naturaleza de la gravedad hasta el momento, ha resistido numerosas pruebas experimentales. Sin embargo, hay teorías que siguen compitiendo. Muchas de estas teorías alternativas son tan buenas como la Relatividad General a la hora de predecir comportamientos dentro de nuestro Sistema Solar. Un área donde difieren, sin embargo, es en el entorno extremadamente denso de una estrella de neutrones. 

En algunas de las teorías alternativas, el comportamiento de la gravedad debe variar en función de la estructura interna de la estrella de neutrones. Midiendo cuidadosamente los tiempos de los pulsos, se puede establecer de forma precisa las propiedades de las estrellas de neutrones. Varios conjuntos de observaciones han demostrado que los movimientos de los púlsares no dependen de su estructura, por lo que la Relatividad General está segura de momento.

Las investigaciones recientes sobre los púlsares en sistemas de estrellas binarias con otras estrellas de neutrones y, en uno de los casos, con otro púlsar, ofrecen aun mejores apoyos para la Relatividad General en condiciones de gravedad extrema. La precisión de estas mediciones se espera mejor en el futuro.

Otra predicción de la Relatividad General es que los movimientos de masas en el universo deberían causar perturbaciones en el espacio-tiempo en forma de ondas gravitacionales. Tales ondas aun no han sido detectadas directamente, pero los estudios de púlsares en sistemas de estrellas binarias han dado pruebas indirectas de su existencia. Ese trabajo ganó el Premio Nobel en 1993.

Los investigadores se disponen a utilizar los púlsares de toda nuestra galaxia, la Vía Láctea, como un gigantesco instrumento científico para detectar directamente las ondas gravitacionales. Los púlsares son unos relojes extremadamente precisos que pueden ser utilizados para detectar las ondas gravitacionales en un rango de frecuencias que ningún otro experimento podría detectar.

Midiendo cuidadosamente los ritmos de los pulsos de los púlsares ampliamente diseminados por toda la galaxia, los astrónomos esperan poder detectar ligeras variaciones causadas por el paso de las ondas gravitacionales. Esta ondas gravitacionales habrían sido causadas por los movimientos de pares de agujeros negros supermasivos  del universo temprano, por cuerdas cósmicas y posiblemente por otros eventos exóticos acaecidos en los primeros segundos después del Big Bang.

Con densidades varias veces mayores que las de los núcleos atómicos, los púlsares son laboratorios de física nuclear únicos. Se desconocen los detalles de la física interna de tales objetos extremadamente densos. Al medir las masas de las estrellas de neutrones, podemos establecer los límites de su física interna. Sólo en los últimos tres o cuatro años, se han encontrado  varias estrellas de neutrones masivas en las que, debido a su enorme masa, se pueden descartar algunas hipótesis de lo que sucede en el centro de estas estrellas de neutrones.

El trabajo de investigación continúa, y es necesario realizar más mediciones.  A medida que se obtengan nuevos datos se podrán ajustar los modelos para adaptarlos a lo que ya se ha encontrado.

Los púlsares fueron descubiertos en 1967 y su descubrimiento obtuvo el Premio Nobel en 1974.

Para saber más: National Radio Astronomy Observatory

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Dos tipos de estrellas de neutrones

Últimos datos sobre estrellas binarias confiman la Teoría de Gravedad Extendida

Los investigadores Xavier Hernández y Christine Allen, junto con la alumna de doctorado Alejandra Jiménez, del Instituto de Astronomía (IA) de la UNAM, han analizado dos catálogos de estrellas binarias donde la separación entre los dos astros es muy grande (por ello se llaman binarias abiertas), y han hallado que sus velocidades relativas no cumplen con lo establecido por la Ley Clásica de Gravitación de Newton.

Hasta ahora, las inconsistencias entre la predicción de la ley y los fenómenos observados solamente habían sido detectados a escalas galácticas y extragalácticas, en donde se observa, entre otras cosas, que el movimiento de rotación de las galaxias corresponde a una fuerza gravitacional mayor que la producida por la materia visible.

Durante más de 30 años se ha pretendido explicar las inconsistencias mediante la hipótesis de la materia oscura, que no se observa, pero que generaría suficiente fuerza gravitacional para mantener unidos sistemas muy masivos como las galaxias.

Hernández se propuso analizar un caso a escala estelar, en donde la hipótesis de la materia oscura no tiene entrada: el caso de las estrellas binarias abiertas que giran en torno al centro de gravedad del par.

Para su investigación, seleccionó el catálogo SLoWPoKES, hecho con datos del telescopio Sloan, que contienen más de 1.200 pares de binarias abiertas con sus correspondientes velocidades, distancias y separaciones angulares.  Al relacionar las separaciones con las velocidades relativas y encontró una clara discrepancia con la predicción clásica de Newton.

Las estrellas seleccionadas están separadas por distancias superiores a 1.000 unidades astronómicas (UA) —el equivalente a la separación entre el Sol y el cinturón de Kuiper disperso que rodea el Sistema Solar—, e inferiores al millón de UA.

Dos estrellas similares en masa al Sol, separadas siete mil UA o más, ejercen la una hacia la otra una aceleración pequeñísima, inferior a 0.00000000012 m/s².

Esta aceleración (a0=1.2×10-10 m/s²), llamada de Milgrom, es ya característica de los sistemas “excepcionales” que no cumplen con la Ley Clásica de Gravitación. En estos últimos, así como en los galácticos, las velocidades son mucho menores a la de la luz, por lo que las predicciones newtonianas son indistinguibles de las de la relatividad de Einstein.

No sólo se ha descubierto que el punto en que la predicción clásica y la observación divergen corresponde a la aceleración de Milgrom, sino que las estrellas sujetas a baja aceleración mantienen, a partir de dicho punto, una velocidad orbital constante.

Esto confirma la hipótesis de la teoría de gravedad modificada, según la cual a aceleraciones menores a a0, la fuerza decrece más lentamente con la distancia de lo predicho clásicamente. Permite así explicar las observaciones galácticas y cosmológicas sin necesidad de apelar a la hipotética materia oscura.

El investigador ha publicado ya varios artículos científicos relacionados con estos temas, entre ellos, la propuesta clásica de gravitación extendida. Los resultados de esta nueva investigación se publicaron en la revista European Physical Journal “C”, (EPJC).

Para descartar un error sistemático en su análisis, se buscó otro catálogo independiente, el realizado por el satélite astrométrico Hiparcos, que contiene velocidades y paralajes de más de 2.5 millones de estrellas con un error mucho menor al catálogo SLoWPoKES.

Al analizar estas nuevas binarias, se ha encontrado el mismo comportamiento: la velocidad orbital entre cuerpos sujetos a aceleraciones menores a la de Milgrom se mantiene constante conforme la distancia aumenta.

Estos hallazgos implica también que dos de las leyes de Kepler no son válidas en estos ámbitos: las órbitas ya no son elípticas y el periodo orbital se vuelve proporcional al radio de la órbita.

Así como la precesión del perihelio de Mercurio marcó el límite de validez de la gravitación de Newton a escalas de velocidad en las que ésta deja de ser despreciable con respecto a la de la luz, este descubrimiento señala el límite de validez de la gravitación newtoniana a escalas de aceleración menores a a0.

Artículo original: Cornell University

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¿Existe realmente la materia oscura?

¿Pueden cambiar las constantes de la naturaleza?

Dr. Stuart Clark. Podcast en 365 Days of Astronomy

La ciencia ha disfrutado de éxitos sin precedentes a la hora de describir la naturaleza haciendo uso de las matemáticas. Las ecuaciones son la forma que tenemos de comprender las leyes de la física y de predecir el comportamiento de los sistemas físicos. No parece probable que las leyes físicas cambien pero ¿Podemos decir lo mismo de, las así llamadas, constantes de la naturaleza?

Existen muchas constantes. Son valores que no se derivan de ninguna teoría y que por lo tanto, solo pueden ser determinados realizando mediciones.  Se las utiliza en las leyes de la física como valores de conversión para crear relaciones matemáticas exactas entre cantidades.

Algunas de las constantes se explican por sí mismas, como la velocidad de la luz. Otras son de más difícil comprensión, como la constante de Planck, que gobierna la forma en la que la naturaleza divide la energía en pequeños “paquetes”. A pesar de llamar constantes a estas cantidades, durante los últimos 15 años, ha habido una constante sospecha sobre si podrían cambiar ligeramente con el tiempo, especialmente la velocidad de la luz.

El universo está bañado en microondas. La física tradicional explica la temperatura casi uniforme de este fondo como resultado de un repentino periodo temprano de expansión exponencial en la historia del universo, pero lo que impulsó esta inflación sigue siendo un misterio. En 1993 el físico John Moffat señaló que si la velocidad de la luz hubiera sido mayor en el pasado, los fotones podrían haber viajado mucho más lejos y así podrían haber igualado la temperatura a través de una extensión mucho más amplia del espacio sin necesidad de invocar la inflación.

Ahora, los astrónomos estudian quásares distantes –núcleos de galaxias en formación impulsados por la acumulación de masa en agujeros negros− con la esperanza de atrapar los últimos vestigios de cualquier cambio en la velocidad de la luz. Pero tenemos que ser cuidadosos al sacar conclusiones de la medición de constantes que tienen unidades conectadas a ellas. La velocidad de la luz se mide en unidades de longitud y tiempo. Si se detecta una variación, los investigadores no pueden estar seguros de que sea la velocidad de la luz la que ha variado, o la velocidad a la que se ha movido el reloj o la longitud de la regla de medir. Por lo que se centran en el examen de constantes adimensionales. Supongamos que se mide la relación entre la masa del protón y la masa de un electrón, se cancelan las unidades –kilogramos– y la constante resultante será simplemente un número.

La llamada constante de estructura fina es adimensional. Se obtiene mediante la combinación de la velocidad de la luz con la constante de Planck y la carga de un electrón. Afecta a la estructura externa de cada átomo, que controla la forma en la que reaccionan los electrones de un átomo cuando este es atravesado por rayos de luz. Si la velocidad de la luz cambiara con el paso del tiempo, la constante de estructura fina cambiaría también, como lo haría el patrón característico de líneas producido por átomos.

En 1999, John Webb de la Universidad de Nueva Gales del Sur, dirigió un equipo que observó 128 quásares a más de 10.000 millones de años-luz. Recogieron la luz de los quásares y obtuvieron los  espectros, en busca de las huellas dactilares de los átomos intervinientes. Las líneas espectrales cambiaban de manera coherente con la constante de estructura fina, aumentado ligeramente con el transcurso de la historia cósmica, en alrededor de 1 parte cada 100.000 durante esos 10.000 millones de años.

Numerosos grupos de investigación están tratando de verificar o refutar esta idea porque el descubrimiento del cambio en las constantes tiene enormes consecuencias para nuestra comprensión del universo. Señala hacia una física que supere a Einstein, quizás incluso a la esquiva “teoría del todo".

La mayoría de los físicos creen que la mejor candidata para una teoría del todo es la teoría de cuerdas. Esta teoría matemática compleja reemplaza las partículas por cadenas de ondulaciones en dimensiones superiores a las tres dimensiones con las que estamos familiarizados. De acuerdo con la teoría de cuerdas, sólo si se tienen en cuenta todas las dimensiones superiores, permanecerá realmente constante el valor de las constantes físicas.

En el caso de la gravedad, la masa en kilogramos y la distancia en metros se equipara a una fuerza en newtons G, la constante gravitacional de Newton. Este también es otro objetivo para los físicos en busca de variaciones en las constantes, pero G es difícil de medir con precisión.

En 1987, los físicos creían que G tenía una precisión de 0.013%. Experimentos realizados en 1998 obligaron a bajar esta precisión hasta el 0,15%. El valor de G es extraordinariamente impreciso cuando se compara con la fuerza del electromagnetismo, que se sabe tiene una precisión 2,5 millones de veces mayor. Esta falta de precisión ha conducido a especulaciones sobre si esta constante podría estar cambiando lentamente con el tiempo, y por lo tanto cambiando la fuerza de gravedad. Dicha variación cambiaría gradualmente las órbitas de estrellas y planetas, afectaría al tamaño de los objetos celestes y determinaría el brillo de las estrellas.

Midiendo la distancia a la Luna utilizando un láser desde la Tierra se ha demostrado que el valor de G no puede variar más de una parte por millón al año. Otros físicos buscar cambios temporales en la fuerza de la gravedad provocada por el movimiento de la Tierra alrededor de su órbita.

Esto es debido a que la teoría de la relatividad de Einstein se apoya en el principio central que las leyes de la física son las mismas, en todo tiempo y lugar en el universo e independientemente de la forma en que nos movamos. Cómo transformar lo que un observador puede ver en el punto de vista del otro se conoce como la transformación de Lorentz, pero si cambian las constantes, la transformación de Lorentz ya no funcionaría de forma precisa. Produciendo una “violación de Lorentz”.

La teoría de cuerdas permite que se hayan producido pequeñas “violaciones de  Lorentz” en el Big Bang, creando su impronta sobre el tejido del espacio-tiempo y estas podrían hacer que G muestre un valor diferente en el transcurso de un año a medida que la órbita de la Tierra alrededor del Sol y viaja en diferentes direcciones a través del espacio. La forma obvia para probar esto es dejar caer objetos a lo largo del año y medir la rapidez con la que caen. La comparación de dos medidas separadas seis meses debe producir la mayor diferencia, porque entonces la Tierra está viajando en direcciones opuestas a través del espacio. El mejor lugar para realizar el experimento está en el espacio, porque cuando un objeto está en caída libre, pueden medirse con gran precisión variaciones gravitacionales muy pequeñas. Con este objetivo de seguir esta investigación se están diseñando una serie de misiones.

Los físicos seguirán buscando cambios en las constantes de la naturaleza, tanto los efectos a largo como a corto plazo, ya que creen que la teoría de cuerdas es la manera de unir la gravedad con las otras fuerzas. Midiendo la cantidad de cambio, serán capaces de hallar la versión correcta de la teoría de cuerdas y comprender mejor su imagen de un universo multidimensional.

Se dice que la teoría de la gravedad de Newton se inspiró en ver caer una manzana; con anterioridad Galileo dejó caer objetos desde edificios altos para descubrir que todos los ellos caen a la misma velocidad, independientemente de su composición o masa. Sería, por tanto, totalmente adecuado pensar que nuestro próximo avance en la comprensión del universo podría venir de la medición de la caída de objetos en órbita.


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El campo magnético terrestre, escudo protector

La oportunidad que ha supuesto el alineamiento de planetas durante el paso de ráfagas de viento solar, ha permitido a los científicos comparar los efectos protectores del campo magnético terrestre con la desprotegida atmósfera de Marte.

Representación del efecto del viento solar sobre los tres planetas Venus Tierra y Marte. Las distancias no está a escala. La Tierra está protegida por el campo magnético. Crédito de la imagen: ESA.

El alineamiento tuvo lugar el 6 de enero de 2008. Haciendo uso del grupo de naves Cluster de la ESA y la misión Mars Express para proporcionar datos de la Tierra y de Marte respectivamente, los científicos han podido comparar la pérdida de oxígeno de las atmósferas de los dos planetas cuando eran alcanzadas por el mismo flujo de viento solar.
 

Los hallazgos muestran que a igual aumento de presión del viento solar, el incremento en la pérdida de oxígeno es diez veces mayor en Marte que en la Tierra.
 

Esta diferencia ha podido tener un tremendo impacto a lo largo de miles de millones de años que habría llevado a la pérdida de gran parte de la atmósfera marciana, explicando quizás, o al menos contribuyendo, a su frágil estado actual. Este resultado prueba la eficacia del campo magnético terrestre a la hora de deflectar el viento solar y proteger nuestra atmósfera.
 

El efecto escudo del campo magnético es conocido, asi como fácil de comprender y de simular en modelos informáticos, sin embargo, con la realización de estas mediciones se ha podido comprobar de forma empírica.
 

El siguiente paso será comprobar el mismo efecto en Venus, para ello la nave espacial Venus Express cuenta con un sensor para poder medir las pérdidas que se produzcan en su atmósfera. Los datos que se obtengan de Venus serán de gran importancia ya que al igual que Marte no cuenta con un campo magnético y aunque tiene un tamaño similar al de la Tierra, cuenta con una atmósfera mucho más espesa. Por lo tanto los datos que aporte ayudarán a poner en contexto los obtenidos de Marte y de la Tierra.
 

Durante los próximos meses se producirá un buen alineamiento entre el Sol, la Tierra Venus y Marte, por lo que se podrán analizar en conjunto los datos obtenidos por las naves Mars Express, Venus Express y el observatorio solar STEREO de la NASA. La misión Cluster continuará jugando un papel importante en el estudio, al tratarse de la única misión en el espacio cercano a la Tierra capaz de realizar tales mediciones.
 

De igual modo, los científicos esperan observar la forma en la que el incremento en la actividad solar asociada al actual ciclo solar, puede afectar a la pérdida de partículas atmosféricas en los tres planetas. 


Para saber más: ESA

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Interacciones galácticas en el Cúmulo de Hércules

El Cúmulo Galáctico de Hércules se encuentra a unos 500 millones de años luz de nosotros en la constelación de Hércules y en el abundan las galaxias espirales en las que se forman multitud de jóvenes estrellas.

Algunos fragmentos del Cúmulo de Galaxias de Hércules. Créditos de la imágen: ESO/INAF-VST/OmegaCAM. Acknowledgement: OmegaCen/Astro-WISE/Kapteyn Institute.

En estas expectaculares imágenes obtenidas por el Telescopio VST de 2'6 metros instalado en el Obervatorio Europeo Austral en Chile se muestran un gran número de galaxias interactuando entre sí.  Cuando dos galaxias se encuentran, tras una larga danza de millones de años en la que ambas se deforman, acaban formanado una única galaxia mucho más grande y generalmente de forma irregular.

Los cúmulos galácticos como el de Hércules se forman por el agrupamiento de galaxias debido a la atracción de sus propiaas gravedades.  A medida que el cúmulo se hace más compacto aumenta la probabilidad de que dos galaxias puedan encontrarse y acabar fusionandose.  Las colisiones galácticas generalmente despojan a las galaxias del polvo y del gas con el que se forman las estrellas, convirtiéndolas en galaxias elípticas o irregulares carentes de capacidad para formar nuevas estrellas.

Dentro del Cúmulo Local al que pertenece nuestra propia galaxia, la Vía Láctea, también se puede producir este fenómeno, de hecho las dos galaxias más grandes del cúmulo, la Vía Láctea y la Galaxia de Andrómeda se aproximan una a la otra a la increible velocidad de 300 kilómetros por segundo.  Aunque aun no se sabe con cerceta si llegarán a colisionar, se estima que al menos se producirá un gran acercamiento en unos 3.000 millones de años.



Para saber más: ESO

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La Nebulosa de la Medusa

He aquí el resultado de mi último trabajo. Se trata de IC 443, también conocida como la Nebulosa de la Medusa. Las exposiciones se realizaron durante las noches del 17 y 18 de febrero de 2012 desde Sigüenza, Guadalajara.  La imágen acumula algo más de 5 horas de exposición realizadas con el telescopio Takahashi FSQ-106, a focal nativa y la CCD SBIG SLT 11000, con las siguientes subsexposiciones:

15 x 180  para cada canal RGB (binning 2)

12 x 900 (Ha)  (binning 1)

Situada a unos 5.000 años luz de la Tierra en la constelación de Géminis, la Nebulosa de la Medusa está formada los restos de una supornova. Las dos enormes estrellas con halos que se aprecian en la foto son respectivamente 7-Eta Geminorum, a la derecha y 13-Mu Geminorum a la izquierda.  Aunque se trata de uno de los remanentes de supernova mejor estudiado, se desconoce cuando se produjo la descomunal explosión aunque se le estima una edad inferior a los 30.000 años

¿Existe realmente la materia oscura?

Jim Stratigos (Transcripción y traducción de un PODCAST en 365 Days of Astronomy)

Cuando miramos el cielo nocturno y vemos cómo la formación de estrellas y las interacciones entre galaxias siguen dando forma al universo, no podemos sino maravillarnos. Mi deseo por aprender más sobre el funcionamiento interno de las cosas me llevó a seguir programas de estudios de la Universidad de Swinburne y a devorar con avidez cada libro sobre cosmología y gravedad.  Aunque sólo soy un ingeniero y no un astrofísico, considero plausibles los conceptos de big bang, nucleosíntesis, supernova, evolución estelar y fondo cósmico de microondas.  Pero hay un concepto al que no consigo hacer frente, que es la existencia de la materia oscura. ¿Es posible que la naturaleza haya sido tan falaz que haya hecho que la materia ordinaria -de la que usted y yo estamos hechos- sea solo un componente menor en toda la masa del universo?

Si atendemos a todos los pronunciamientos de la comunidad astronómica sobre los descubrimientos relacionados con la materia oscura debemos suponer que su existencia es un hecho, pero esto sería un error. A pesar de algunas pruebas sólidas de que algo invisible está causando un fenómeno extraño, realmente no hemos detectado la materia oscura y hay quienes dudan incluso de su existencia.

Imagen: José Luis Muñoz. Asociación Astronómica Jerezana Magallanes.

En primer lugar, una breve reseña sobre por qué creemos que la materia oscura existe. En 1933 los astrónomos Fritz Zwicky y Sinclair Smith descubrieron que los cúmulos de galaxias se comportaban como si su masa total fuera mucho mayor que la masa atribuible a las estrellas y gas que las formaban. Las galaxias dentro de estos grupos giraban tan rápido que, si la teoría gravitacional estándar es correcta, estas galaxias deberían desintegrase en el espacio. ¡Algo estaba mal!

Otro conjunto de observaciones hechas en la década de los 70 dio impulso a la teoría de que gran parte de la masa del universo era invisible. Vera Rubin señaló que la curva de rotación de las galaxias espirales no sigue la ley de la gravitación de Newton. La velocidad orbital de las estrellas debe disminuir a medida que aumenta su distancia desde el centro de la galaxia, pero no era así, permanecía constante, resultando de esta manera una curva de rotación plana. O bien Newton estaba equivocado, o algo invisible añadía  masa de forma significativa a las galaxias.

Las lentes gravitacionales vinieron a añadir una anomalía más. Este efecto se produce cuando la luz de una galaxia distante es doblada por la gravedad combinada de un cúmulo de galaxias en la línea de visión entre la Tierra y la galaxia lejana. Predichas por Einstein décadas antes de que se observaran, las galaxias que sufrían este efecto también se comportaban como si la cantidad de materia en el cúmulo fuera muchas veces mayor que la masa que deberían  tener las estrellas y el gas que lo componen.

Finalmente, las observaciones de la radiación cósmica de fondo de microondas hechas por el satélite WMAP muestran oscilaciones de temperatura que podrían explicarse si la mayoría de la materia del universo estuviera compuesta por algo distinto a los protones, neutrones y electrones.

Radiación cósmica de fondo de microondas. WMAT/NASA

La materia oscura se ha postulado como una explicación a estas observaciones y en las últimas dos décadas los científicos han intentado averiguar qué es exactamente. Las teorías iniciales de que la materia oscura consiste en estrellas muertas y materia convencional invisible han sido descartadas en favor de la actual teoría de “materia oscura fría” que postula la existencia de partículas con masa que no interactúan con la materia ordinaria excepto a través de la fuerza de gravedad. Estas partículas teóricas llamada "partículas masivas de interacción débil" o WIMPs (weakly interacting massive particles), deberían ser detectables por el Gran Colisionador de Hadrones. Mientras que la teoría predice que las partículas WIMP deberían superan  a la materia ordinaria en una proporción aproximada de 6:1 y que billones de ellas deben pasar a través de la Tierra cada segundo, lo cierto es que, a pesar de que se han realizado decenas de experimentos durante muchos años de funcionamiento, nadie ha sido capaz de detectarlas. Esta falta de evidencia experimental de partículas de materia oscura ha llevado algunos a considerar otras explicaciones para estas anomalías observacionales.

Una explicación alternativa es observar la gravedad. Quizás las teorías existentes de la gravedad están equivocadas a escalas de galaxias y cúmulos a pesar de la abrumadora evidencia experimental de que son precisas a escala del sistema solar. ¿Podría haber un aspecto desconocido de la gravedad que haga que sus efectos difieran de la Ley de Newton en grandes distancias?

Efecto de lente gravitacional

El primer intento serio de una teoría modificada de la gravedad fue realizado en 1981 por Mordehai Milgrom con su Teoría de la Dinámica Newtoniana Modificada o MOND. MOND modifica la segunda Ley de Newton del movimiento para aceleraciones muy pequeñas (por ejemplo, el entorno que se encuentra cerca de los bordes de las galaxias). Aunque MOND ha sido capaz de predecir con exactitud efectos como las curvas de rotación de galaxias no ha sido capaz de explicar otras anomalías gravitacionales sin acudir para ello a la materia oscura.

Otra explicación para los supuestos efectos de la materia oscura ha sido propuesta por el Dr. John Moffat, profesor emérito de física en la Universidad de Waterloo. El Dr. Moffat también es residente afiliado miembro del Perimeter Institute for Theoretical Physics de Ontario, Canadá. En su libro reciente, Reinventando la gravedad, proporciona un resumen detallado y legible del problema de la materia oscura y las diversas explicaciones alternativas, incluyendo su propia teoría modificada de la gravedad llamada MOG. MOG propone modificaciones a la Teoría de la Gravitación de Einstein para dar cuenta de una quinta fuerza de la naturaleza además de las fuerzas de la gravedad, electromagnetismo y las fuerzas fuerte y débil. Esta quinta fuerza es repulsiva y debilita la gravedad dentro de los campos gravitacionales profundos de galaxias y cúmulos. A distancias extremas sus efectos disminuyen dejando un campo gravitacional más fuerte de tal manera que amplia el alcance gravitacional aparente de objetos masivos. Más allá de esta distancia crítica (que es predicha por MOG) la gravedad disminuye según lo determinado por la Ley de Newton. 

Junto con la Quinta Fuerza, MOG también contiene una constante gravitacional que varía con el espacio y el tiempo a diferencia de la constante fija de Newton. Como resultado, MOG también proporciona explicaciones alternativas del big bang y los agujeros negros, pero estos son temas para otra ocasión.

MOG ha realizado un excelente trabajo explicando curvas de rotación galácticas y lentes gravitacionales sin necesidad de la materia oscura. También predice de forma precisa la estabilidad de cúmulos de galaxias sin requerir ninguna masa adicional.

Moffat ha demostrado también que MOG puede explicar los picos de onda acústica observados en el fondo de microondas que se han atribuido a los efectos de la materia oscura en el universo temprano.

Cúmulo Bala. Imagen: Hubble/NASA.

La prueba más reciente de la teoría de Moffat fue proporcionada por las observaciones del Cúmulo Bala, dos cúmulos de galaxias que han chocado y supuestamente se han separado de su materia oscura. Mientras las estrellas y gases de los dos grupos no fueron afectados por la colisión, se observa un efecto de lente gravitacional fuera de la región de la materia visible que se cree pueda contener la materia oscura. Dado que la materia oscura sólo interactúa con la materia ordinaria a través de la gravedad, esta fue dejada atrás. Los titulares de los artículos proclamaron «observada la materia oscura» y "una prueba empírica directa de la existencia de materia oscura". ¿Pero es así realmente? ¿Sólo se pueden explicar los efectos de lentes gravitacionales en el Cúmulo Bala por el hecho de que más del 75% de la materia en el universo sea invisible? De acuerdo con un artículo publicado por Moffat y su colega Joel Brownstein, todos los efectos observados en el Cúmulo Bala pueden explicarse por MOG. Aunque la matemática es complicada, la conclusión es que la fuerza adicional en MOG produce una distribución masiva que explica los efectos de las lentes gravitacionales sin necesidad de la materia oscura.

Cualquier buena teoría de cómo funciona el universo debería hacer predicciones comprobables. Para objetos de tamaño del Sol y la Tierra, MOG predice la misma precesión orbital que hace la Relatividad General de Einstein, tanto si es en el sistema solar o cerca de sistemas orbitales relativistas como púlsares binarios. MOG predice también con precisión la velocidad orbital de las estrellas en los cúmulos que deberían contener materia oscura, pero que por alguna la razón actúan como si no la tuvieran. Una de las predicciones más interesantes que provienen de MOG es que las masas inerciales y gravitacionales de un objeto pequeño sean diferentes a aceleraciones muy pequeñas, como en un ambiente cercano a la ingravidez. Mientras que estas pequeñas aceleraciones y masas son muy difíciles de medir con precisión, si dicha diferencia se descubre entonces además de acabar con la necesidad de materia oscura, MOG también puede empezar a arrojar luz sobre algunos de los misterios fundamentales de la masa, la inercia y la gravedad.

¿Cuál es el siguiente paso en la batalla entre la materia oscura y teorías alternativas de la gravedad? Los experimentos para medir la gravedad y la aceleración a distancias muy pequeñas pueden conducir a resultados que apoyen la MOG. Si, por otro lado, uno de los muchos experimentos diseñados para detectar partículas de materia oscura tiene éxito y sus resultados pueden ser verificados, entonces la MOG podría desvanecerse como lo hicieron otras teorías de la gravedad alternativas a las de Newton y de Einstein. Permaneceremos atentos.

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