TEORÍA DE LA GRAVEDAD MODIFICADA II

LA INFERENCIA DE LA MATERIA OSCURA

En base a las observaciones que tenemos del Fondo Cósmico de Microondas, sabemos que el universo en sus condiciones iniciales era bastante homogéneo. Todas las partes o secciones tenían una temperatura y densidad similar. Esta imagen inicial del universo, nada tiene que ver con la imagen actual que tenemos del mismo, en donde observamos galaxias brillantes, opacas, espirales, elípticas, e inmenso espacio vacío entremedio.

Siendo el universo tan homogéneo inicialmente, la gravedad tendría la función de tomar las diminutas secciones en donde la densidad variaría solo un poco, y en base a eso, ir construyendo estructuras más grandes, que irían atrayendo más y más masa. Estas estructuras, eventualmente, se convertirían en las galaxias que vemos hoy día.

Esto hace perfecto sentido, pero hay un problema. No es posible que la gravedad, como la conocemos, haya podido construir estas estructuras en la edad que tiene el universo, 14 mil millones de años. Aunque parezca mucho tiempo, no es lo suficiente cuando tomamos en cuenta la homogeneidad inicial de universo, y que la gravedad es una fuerza muy débil. Claro que la gravedad podría hacer este trabajo, pero lo haría de manera exasperadamente lenta, y definitivamente no en el tiempo que tenemos.

Por lo tanto, necesitamos idear algo para poder generar este proceso. Después de todo, aquí están las galaxias formadas, y aquí estamos nosotros de testigos. Podríamos agregar más masa al universo, o podríamos cambiar la ley de la gravedad.

Si asumimos por un momento que efectivamente si hay más masa de la que observamos (materia oscura), que, de hecho, es lo que la mayoría de los científicos pensaba inicialmente, y que muchos todavía creen. ¿Qué podría ser esta cosa invisible que está manteniendo al universo unido?

Podríamos dividir los posibles tipos de materia oscura en tres categorías: la materia oscura bariónica, la materia oscura caliente, y la materia oscura fría.

La materia oscura bariónica solo se refiere a la materia ordinaria. Los bariones son partículas compuestas de tres quarks, que a su vez componen partículas como protones, neutrones, etc. En teoría, la materia oscura podría ser materia ordinaria. En realidad, no hay nada que exija que la materia tiene que brillar como lo hacen las estrellas. Por lo tanto, algunos candidatos dentro de esta categoría serían: estrellas muy opacas, enanas marrones, muchos planetas similares a Júpiter, rocas, entre otros.

De hecho, hay un lindo premio Nobel esperando por el científico que sea capaz de identificar a la tan misteriosa materia oscura. Y por más que han buscado por ella, todos estos candidatos han sido descartados por múltiples razones.

Si tratásemos de hacer materia oscura de materia ordinaria, incluso si no brilla directamente, se pueden utilizar otro tipo de mecanismos indirectos. Quizás algunos de estos candidatos no estén excluidos del todo, pero actualmente es bastantes evidente que no puede ser ninguna variación de materia ordinaria.

Otra sugerencia vendría a ser la materia oscura caliente. En este contexto, caliente solo significa que nos referimos a partícula individuales dinámicamente rápidas. De hecho, podríamos decir que caliente significa “relativístico”, es decir, que las partículas se están moviendo a una velocidad cercana a la de la luz.

Cuando los neutrinos fueron identificados por primera vez, se pensó que solo contenían energía y nada de masa invariante, lo que les permitía moverse a la velocidad de la luz. Algunos temerarios incluso sugerían que, si se les daba un poquito de masa a los neutrinos, tendríamos a nuestra preciada materia oscura. Sin embargo, esta idea era impensable porque estropearía parte de la física de partículas. Razón por la cual NO, los neutrinos no podían tener masa. Pues…resulta que esa parte de la teoría de física de partículas estaba errónea, y efectivamente, los neutrinos si tienen masa invariante. Sin embargo, este número es muy pequeño, demasiado pequeño para ser considerado materia oscura; inclusive si tuviesen más masa, estropearían toda la estructura del universo, ya que, en lugar de crear objetos individuales, los neutrinos se mueven tan rápido, que simplemente los atravesarían.

Por lo tanto, esto nos lleva a pensar en algo completamente nuevo, como la materia oscura fría. En este contexto, fría se refiere a partículas de baja velocidad, no relativísticas, es decir, aquellas partículas cuyo movimiento es de solo unos cientos de kilómetros por segundo. Tendría que ser una partícula completamente nueva, que no forma parte del actual modelo de estándar de partículas. No es un neutrón, ni protón, ni nada que se le parezca, tendría que ser algo fundamentalmente diferente.

La materia oscura fría tiene como constitución que no interactúa con la luz, los protones y electrones si lo hacen; por lo que imaginamos una partícula que no experimenta con la interacción electromagnética. Una de las nociones, se trata de que podría ser una partícula que interactúa con la fuerza nuclear débil.

Los físicos de partículas ya han ideado varias hipótesis sobre cómo podría ser esta partícula, y hasta ahora, la idea más popular era una partícula llamada WIMP o partícula masiva de interacción débil.

A principios de 2019, ciertos experimentos descartaron la idea de la existencia del WIMP.

Razón por la cual sólo me enfocaré en la ciencia detrás del funcionamiento de partículas de interacción débil.

Un ejemplo de una partícula de interacción débil es el neutrino, esto quiere decir que el neutrino no interactúa con la fuerza electromagnética, pero si interactúa con fuerza nuclear débil.

Conocemos cuatro tipos de fuerzas fundamentales: la gravedad, el electromagnetismo, la fuerza nuclear débil, y la fuerza nuclear fuerte.

De manera breve, el electromagnetismo es la fuerza responsable de la interacción entre partículas con carga eléctrica. Si la gravedad tuviese una fuerza de magnitud 1, el electromagnetismo tendría una magnitud de 10^37. La fuerza nuclear débil, responsable de la desintegración electromagnética, tendría una magnitud de 10^34. Mientras que la fuerza nuclear fuerte, responsable de mantener unido el núcleo atómico en su forma más fundamental, es decir, quarks mediante los gluones, tendría una magnitud de 10^39. Es fácil observar el problema que tenemos, la gravedad es tan débil como podría ser, en comparación con el resto de fuerzas fundamentales.

Volviendo al tema. Los neutrinos son partículas que interactúan con la fuerza nuclear débil. Sin embargo, no son nada masivas. Por lo cual los físicos teorizan una partícula de interacción débil, como el neutrino, pero mucho más masivo, tan pesado como un núcleo atómico. Esto nos lo inventamos, y es lo que se ajustaría a las observaciones.

---

Los físicos y astrónomos ya compraron la idea de que definitivamente existe la materia oscura, una idea que proviene de la física de partículas. Para explicar algunas de las irregularidades que encontramos en nuestras observaciones,

queremos que exista más masa de la que está permitida en la nucleosíntesis del Big Bang, lo cual genera una restricción bastante fuerte en la cantidad de materia ordinaria que existe.

Las condiciones iniciales del universo eran increíblemente homogéneas. La gravedad tendría que haber hecho un trabajo descomunal para agrupar poco a poco las diminutas perturbaciones y diferencias de masa para crear las colosales estructuras que vemos hoy día. Y no es que no lo pudiese hacer, solo que lo haría de manera muy lenta, y no en el tiempo que tiene el universo. Razón por la cual, pasar de un universo inicial homogéneo a un universo lleno de galaxias, perturbaciones, y vacíos, es una tarea difícil de explicar, y sabemos con certeza que la gravedad que conocemos no es capaz de hacerlo. Por lo que necesitamos “algo” adicional para llevar a cabo el proceso, y una forma de materia oscura, que no interactúa con la luz, nos hace el truco.

La materia oscura fría sería, en este caso, lo que nos ayudaría a explicar este proceso. Solo tenemos ciertas condiciones para ella: que tenga poca velocidad, para que pueda formar estructuras grandes, y que no interactúe con la luz, para que no afecte la nucleosíntesis del Big Bang.

La siguiente gráfica representa la composición del universo. La materia oscura (materia oscura fría) representa alrededor del 25%. La materia ordinaria (bariones que obtenemos de la nucleosíntesis del Big Bang, i.e. todo lo que observamos) es tan solo el 5%. Mientras que el 70% restante, vendría siendo la energía oscura. La energía oscura es lo que provoca la aceleración de la expansión del universo, actúa como una anti-gravedad, es decir, que repela en vez de atraer, se podrá discutir el tema de la energía oscura en otro artículo.

Como podemos apreciar, en esta gráfica está inferido que la materia oscura es inferida por los movimientos gravitacionales, asumiendo que todas nuestras leyes de la gravedad son 100% correctas. Si hacemos esta suposición, entonces sí, estamos forzados a decir que la materia oscura, en efecto, existe.

Esto es similar a cuando analizamos la historia de la expansión del universo, y vemos que esto no es posible con la teoría de Einstein, a menos que añadamos el concepto de la anti-gravedad, que normalmente no está allí. De manera que, inferimos que la energía oscura existe porque asumimos que Einstein estaba 100% en lo correcto.

Todo esto representa un problema bastante preocupante, ya que en este caso, solo conoceríamos alrededor del 4% del universo, y el resto lo inferimos, asumiendo que la gravedad está correcta como está. En cuanto hacemos esta suposición, llegamos a este desastre. Pero, ¿acaso es una buena suposición?

Siguiente: Teoría de la Gravedad Modificada III