Relativiza todo: The dark side of the Universe

Coincidiendo con el 50 aniversario de ‘The dark side of the moon’, el pasado invierno salía publicado un estudio que relaciona agujeros negros y energía oscura. La conjunción de ambos eventos ha sido una invitación irresistible a sumergirnos en ‘The dark side of the Universe’ para disfrutar del extraordinario mundo en el que vivimos, mientras dejamos de lado, aunque solo sea por un ratito, los sombríos problemas de la cotidianeidad y nos convencemos de que lo mejor es aplicar la teoría de la relatividad (en todos los sentidos).

Este año se cumplen 50 años del lanzamiento de un álbum memorable, The dark side of the moon, de Pink Floyd, uno de los más grandes grupos de rock de todos los tiempos, icono cultural de varias generaciones. Sus canciones hablan de consumismo, del poder del dinero, de esa muerte en vida que es la rutina deshumanizada del día a día, de lo que nos divide a unos y otros llevándonos a la guerra, y de la locura. Una crónica descarnada que sigue describiendo a la perfección la vida de los europeos del siglo XXI, acompañada de un rock psicodélico extraordinario capaz de sintonizar con nuestros sentimientos. Precisamente su última canción, Eclipse, recuerda la sintonía de todo cuanto existe bajo el Sol, a la par que se lamenta de ese eclipse de Luna que nos mantiene sumidos en la oscuridad.

El arte es uno de los instrumentos más eficaces que existen para salir de la oscuridad gracias a su poder para desvanecer las sombras que arrojan los problemas del día a día. El conocimiento, que bien podría elevarse a la categoría de arte, es otro de esos faros capaces de romper las tinieblas. Al mostrarnos la extraordinaria armonía y singular belleza que reina en la naturaleza, consigue difuminar el eclipse lunar, permitiendo que el Sol vuelva a brillar.

Antes de entrar en materia, es importante aclarar los matices del adjetivo oscuro en el contexto del Universo. El lado oscuro está formado por tres elementos que no nos es posible ver a través del espectro electromagnético. Esta oscuridad supone una dificultad enorme para su estudio, lo que le convierte en un territorio que aún está muy lejos de ser explorado en profundidad. Paradójicamente, los retos que plantea el estudio de este lado oscuro del Universo se transforman en una fuente de luz para nuestro espíritu al estimular el ingenio, la creatividad y la imaginación. Lo opuesto a esa oscuridad del eclipse lunar que simboliza tristeza, desaliento y dolor a la que canta Pink Floyd, que la belleza revelada por el conocimiento ayuda a mitigar.

Agujeros negros

Siguiendo el orden temporal en el que fueron apareciendo en el panorama científico, los agujeros negros son el primer elemento del lado oscuro del Universo. Nos debemos remontar a 1783 para descubrir el trabajo del geólogo inglés John Michell, quien acuñó el término “estrella oscura” para referir un cuerpo tan pesado que su velocidad de escape superaría la velocidad de la luz. Esta “estrella oscura” no pasó de ser una simple curiosidad matemática durante el siglo XIX, pues por aquella época la idea común aceptada era que la luz es una onda sin masa.

La teoría de la relatividad de Einstein cambió por completo nuestra visión tanto de la luz como de la fuerza de la gravedad, además de mostrarnos que la gravedad influye en la trayectoria de la luz. En el marco de la teoría de Einstein, la gravedad puede interpretarse como la deformación geométrica del espacio-tiempo del entorno de una masa, algo que suele visualizarse comparando el tejido del espacio-tiempo con una malla elástica. Dado que todos los objetos, incluidos los fotones, se mueven por el espacio-tiempo, su forma modula sus trayectorias. El 29 de mayo de 1919, un eclipse solar permitió comprobar que la trayectoria de la luz se curva al pasar por las cercanías del Sol. en un experimento que se convertiría en la primera prueba experimental que respaldaba la teoría de Einstein.

El camino hacia la predicción de los agujeros negros había sido abierto por Karl Schwarzschild unos años antes, en 1915, al desarrollar una solución matemática a las ecuaciones de Einstein donde mostraba que un cuerpo suficientemente pesado atraparía la luz, impidiéndole escapar, si esta atravesaba un punto de no-retorno que pasó a denominarse “horizonte de sucesos”. En 1930, Subrahmanyan Chandrasekhar, con tan solo 19 años de edad, calculaba el límite de masa a partir del cual un objeto colapsaría por efecto de su autogravedad en algo de lo que la luz no podría escapar. Arrancaba un apasionante campo de estudio en el que destacarían los trabajos de físicos muy conocidos como Robert Oppenheimer, Roger Penrose o Stephen Hawking. El nombre “agujero negro” (“hoyo negro” en Latinoamérica) sería finalmente acuñado por John Wheeler en 1969.

Para entender la dificultad de estudiar estos objetos, tanto en el terreno conceptual como en su formulación matemática, hay que recordar que cada parte de un objeto extenso atrae a todas las demás partes por la fuerza de la gravedad que se ejercen mutuamente, dando como resultante una atracción neta hacia el centro del objeto. Esta atracción provocaría que el objeto colapsase sobre sí mismo si no existiesen otras fuerzas actuando en sentido contrario. Evidentemente, cuanto más masivo es el objeto más fuerte es su auto-atracción gravitatoria, y mayor debe ser la fuerza capaz de balancearla evitando el colapso.

En objetos muy masivos como son las estrellas sabemos que lo que contrarresta la autogravedad es la presión de la radiación emitida por las reacciones de fusión que tienen lugar en su interior. La presión de radiación empuja a la materia hacia fuera, mientras que el tirón gravitacional la atrae hacia el centro, manteniéndose el equilibrio. Cuando se acaba el combustible, es decir, cuando todo lo que podía fusionarse ya lo haya hecho, la estrella sigue un camino u otro dependiendo de su masa. Si es poco masiva, como nuestro Sol, la estrella se contraerá hasta que toda la materia se convierta en un plasma; los electrones estarán extraordinariamente pegados unos a otros, dando lugar a la aparición de un efecto cuántico llamado presión de degeneración de los electrones, algo que suena muy exótico, pero que se resume diciendo que no puede haber dos electrones ocupando un mismo lugar.

Esta presión será lo que contrarreste la autogravedad, devolviendo el equilibrio a la estrella, que habrá pasado a convertirse en una enana blanca. En estrellas más masivas la contracción de la materia es aún mayor, tanto que toda la materia se convierte es una especie de “sopa de neutrones” a una densidad altísima, siendo la presión de degeneración de los neutrones lo que contrarresta la autogravedad; la estrella habrá pasado a ser una estrella de neutrones. Como curiosidad, un trocito de materia de enana blanca del tamaño de un terrón de azúcar pesa (aprox.) una tonelada, cifra que alcanza unos 1.400 millones de toneladas si el terrón fuese de estrella de neutrones.

Cuando la masa es tan alta que la presión de degeneración de los neutrones no es capaz de balancear la autogravedad, la estrella se convierte en un agujero negro, en algo de lo que ni tan siquiera la luz puede escapar, que ha traspasado todos los estados conocidos de la materia. La solución matemática clásica conduce a lo que se denomina una singularidad: toda la masa se concentra en una región extraordinariamente pequeña, de un tamaño que al aproximarse a cero hace que la densidad, junto a otras cantidades físicas, escalen a infinito. Dado que infinito es un concepto y no un número que sepamos manejar con nuestras matemáticas, llegamos a una situación en la que las leyes conocidas de la física dejan de funcionar, lo cual resulta tan frustrante como apasionante.

Los agujeros negros existen. Los hemos visto, aunque no de manera directa, claro está, sino por el efecto gravitacional que ejercen en la materia que les rodea. Hoy sabemos que hay agujeros negros que son remanentes de estrellas, y también que existen agujeros negros supermasivos en el centro de las galaxias. Sin ir más lejos, en el centro de nuestra galaxia se sospecha que hay uno llamado Sagitario A*, que tendría una masa de unos 4 millones de veces la masa del Sol.

Una de las primeras imágenes del Universo enviadas por el telescopio espacial Webb. Foto NASA.

Materia oscura

El siguiente ingrediente del lado oscuro del Universo es la materia oscura. En los años 30 del pasado siglo, el astrónomo Fritz Zwicky mostraba que el cúmulo de galaxias Coma probablemente tiene un halo masivo de materia oscura a su alrededor. Habría que esperar casi 40 años hasta tener la siguiente prueba observacional de la existencia de estos halos de materia oscura, en este caso alrededor de las galaxias. La autora fue Vera Rubin, quien lo descubrió analizando la forma en la que rotan las galaxias espirales. En principio la materia oscura de estos halos no tenía por qué ser exótica, sino materia formada por bariones y leptones, a la que suele llamarse materia bariónica en astronomía. Todo lo que vemos a nuestro alrededor está hecho de materia bariónica, incluido nuestro propio organismo, de ahí que también nos refiramos a ella como materia normal. Inicialmente se pensó que estos halos oscuros de materia alrededor de galaxias y cúmulos de galaxias estarían formados por planetas, satélites y asteroides junto a remanentes de estrellas –enanas blancas, estrellas de neutrones y agujeros negros, a los que se denominó MACHOs, acrónimo en inglés de objeto compacto masivo de halo–.

El estudio detallado de la distribución de masa de estos halos oscuros pronto comenzó a mostrar dificultades para su modelización, que se fueron agudizando conforme el incremento de la potencia de cálculo de los ordenadores permitía el desarrollo de simulaciones numéricas realistas con las que modelar las estructuras a gran escala que dibujan las galaxias. Para reproducir las observaciones, los modelos necesitaban mucha materia oscura, pero esta no podía ser bariónica. Fue así como apareció en escena la materia oscura no-bariónica, distinguiéndose dos tipos en función de si la velocidad de movimiento de las partículas es cercana a la de la luz (materia oscura caliente), o no lo es (materia oscura fría). La velocidad de las partículas de la materia oscura es crítica en la formación de las estructuras, que sigue un patrón “de arriba abajo” con la materia caliente y “de abajo arriba” con la fría, lo que da como resultado distribuciones de materia a gran escala muy diferentes que pueden ser contrastadas con las observaciones.

Hoy en día, el modelo cosmológico estándar incluye un alto contenido de materia oscura fría para poder reproducir las observaciones, en una proporción aproximada de 5 a 1 con el contenido de materia bariónica. Entre las partículas candidatas a materia oscura fría destacan los axiones. Introducidos por la física de partículas para resolver algunos problemas de su ámbito, los axiones aún se sitúan en el terreno de la hipótesis, pues no han sido detectados directamente en ningún experimento hasta la fecha.

Energía oscura

El tercer elemento del lado oscuro del universo es la energía oscura, último invitado a la fiesta y del que menos sabemos, ¡por no decir que no sabemos casi nada! Según el modelo estándar del Big Bang, el universo se encuentra en expansión desde su nacimiento hace unos 13.800 millones de años, algo que ha sido ampliamente corroborado por las observaciones. Hasta hace pocos años se pensaba que la expansión es cada vez más lenta, al ser ralentizada por la autogravedad del universo. Pero el estudio de un tipo especial de supernovas trajo consigo una sorpresa merecedora del Nobel de Física en 2011: ¡la expansión del universo se está acelerando! Esto significa que tiene que existir una fuerza que no sólo contrarresta la autogravedad, sino que la supera, provocando que las galaxias se alejen entre sí a velocidades que van aumentando con el paso del tiempo. No sabemos qué puede ser esa fuerza, que ha recibido el nombre de “energía oscura”, pero el efecto que produce en la expansión ha permitido calcular que su contribución a la energía total del universo es del 68%, mucho más que la suma de la contribución de la materia oscura fría (26%) y la materia bariónica (5%).

La expansión del universo hace que las galaxias se alejen unas de otras de una manera homogénea, lo cual es equivalente a decir que va surgiendo más espacio entre ellas. Este espacio vacío no es nada, sino algo que puede tener propiedades asociadas como, por ejemplo, energía. Si la energía oscura fuese una propiedad asociada al espacio que actuase como una “gravedad repulsiva”, haciendo que la materia tienda a separarse entre sí, conforme va surgiendo nuevo espacio este contribuiría a acelerar la expansión. Así, cuando el universo era muy pequeño y había poco espacio la autogravedad dominaba, desacelerando la expansión. Pero llegó un momento en el que la cantidad de espacio, con su “gravedad repulsiva” asociada, fue capaz de superar el efecto de la autogravedad, iniciándose la etapa de expansión acelerada en la que nos encontramos. Esta es una de las hipótesis más populares sobre la naturaleza de la energía oscura que se maneja en estos momentos.

¿Podrían los agujeros negros ser la fuente de energía oscura?

A los físicos les incomoda que los agujeros negros terminen en una singularidad en la que aparecen infinitos que invalidan el uso de las teorías físicas que manejamos, lo que ha llevado a invertir un considerable esfuerzo en la búsqueda de soluciones matemáticas alternativas que la eviten. Una de las posibles vía de escape a la singularidad es suponer que los agujeros negros contienen algún tipo de materia exótica en su interior, acoplándose a la expansión de tal forma que su masa va creciendo con esta.

Kevin Crocker, coautor del reciente trabajo donde se propone que los agujeros negros podrían ser la fuente de la energía oscura, trata de explicar esto que resulta tan difícil de entender con un símil. Un agujero negro podría verse como una goma elástica que es estirada por la expansión. El estiramiento hace que aumente su energía, y dado que E=mc2, también aumentaría su masa. “Cuanto más rígida es la goma elástica, más difícil es estirarla, por lo que hay más energía cuando se estira”, argumenta Crocker.

Tras un minucioso estudio de los agujeros negros que hay en el centro de galaxias elípticas, los autores han encontrado que, estadísticamente, su masa ha aumentado un factor entre 7 y 20 en los últimos 9.000 millones de años. Este crecimiento, que no puede explicarse por acreción de materia circundante, tiene profundas implicaciones: al ir ganando masa, los agujeros negros producen una presión en el tejido del espacio-tiempo que provocaría ¡la aceleración de la expansión del universo! Los autores del trabajo van un paso más allá, calculando que esta aceleración de la expansión coincide con la observada. Dicho de otra forma: los agujeros negros serían esa energía oscura que provoca que el universo se esté expandiendo aceleradamente.

¿Misterio resuelto? Pues lo cierto es que no… Es evidente que se necesitan muchas más observaciones acompañadas de nuevos desarrollos teóricos antes de lanzar las campanas al vuelo, aunque no se trata sólo de la proverbial y obligada prudencia científica: en caso de ser corroborado se resolvería un enigma, dejando abierto otro. Para que los agujeros negros sean la fuente de la misteriosa energía oscura tienen que contener en su interior una no menos enigmática materia exótica que los lleve a acoplarse de una forma muy particular con la expansión, una materia de la que nada sabemos.

Resulta estimulante acabar un artículo con tantos interrogantes por resolver. Si lo supiésemos todo, algo de lo que estamos muchísimo más lejos de lo que nuestra habitual soberbia nos hace creer, la vida sería un asunto bastante más aburrido.

Sobre el autor

Ana Campos

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