MATERIA OSCURA 1

MATERIA OSCURA (1)

LAS SEMILLAS DE LA ESTRUCTURA

El descubrimiento de la radiación del fondo de microondas constituyó la confirmación definitiva de la teoría de la gran explosión. El satélite COBE demostró que ese fondo de radiación es el cuerpo negro más perfecto que se conoce, con una temperatura de unos 2,725 kelvin en cualquier dirección.

Sin embargo, todo el mundo esperaba que COBE encontrara algo más: pequeñas anisotropías, es decir, pequeñas diferencias en la temperatura de los fotones que nos llegan desde distintas direcciones del cielo. La razón es la siguiente: para que puedan haberse formado las grandes estructuras que vemos en el Universo—las galaxias y cúmulos de galaxias—, en el momento de la recombinación debían existir pequeñas «inhomogenidades», zonas en que la densidad de materia fuese ligeramente superior o inferior a la media. Con el paso de los años, las zonas más densas irían acumulando cada vez más y más materia por atracción gravitatoria, hasta convertirse en las estructuras que observamos hoy en día. Pero dado que antes de la recombinación los fotones formaban un plasma junto a electrones y núcleos, en las zonas más densas este plasma estaría más comprimido y, por tanto, un poco más caliente (igual que se calienta el aire al comprimirlo, por ejemplo cuando hinchamos la rueda de una bicicleta), y en las zonas menos densas pasaría lo contrario.

Así pues, se esperaba que la presencia de esas pequeñas inhomogeneidades se manifestara a través de ligerísimos cambios en la temperatura de los fotones del fondo de radiación. Y así fue: en 1992, COBE descubrió esos pequeños cambios de temperatura a lo largo de todo el cielo, que son de unas decenas de microkelvins (cienmilésimas de grado). Sin embargo, la resolución de COBE no le permitía distinguir detalles que ocuparan menos de 7° enel cielo (lo que corresponde aproximadamente a 14 lunas llenas puestas una al lado de la otra) y se esperaba que las observaciones más interesantes tuvieran lugar a escalas angulares más bajas. Así, se lanzaron dos nuevos satélites, primero el WMAP (por Wilkinson microwave anisotropy probe, sonda Wilkinson de anisotropía de microondas) de la NASA y luego el Planck de la Agencia Espacial Europea (ESA), que fueron capaces de realizar observaciones mucho más precisas. En la figura se muestra el mapa de anisotropías más reciente (de 2013), obtenido por la misión Planck. Hay que entender que en el momento de la recombinación, los fotones quedaron libres en todas las partes del Universo, pero los que recibimos justo hoy en día son los que partieron de una esfera imaginaria que recibe el nombre de «superficie de última dispersión». El mapa de anisotropías consiste en una proyección de esta superficie esférica y equivale a una instantánea del Universo cuando solo tenía 380.000 años.

A pesar de la gran importancia cualitativa del mapa de anisotropías, a los científicos lo que realmente les gusta es poder hacer cálculos para compararlos con las predicciones de las teorías y con otras observaciones. Así pues, la pregunta crucial es: ¿existe alguna manera de extraer información cuantitativa a partir de ese mapa? Afortunadamente, sí la hay.

EL ESPECTRO DE POTENCIAS

Concretamente, a partir del mapa de anisotropías podemos construir una curva que se conoce como el espectro de potencias del fondo de radiación (fig. 3). Básicamente, el espectro mide la amplitud (la importancia) de las fluctuaciones de temperatura a distintas escalas, es decir, en función del tamaño de los puntos fríos y calientes. En el mapa de anisotropías aparece mezclada la información correspondiente a todas las escalas, pero es posible usar métodos estadísticos para extraerla y formar la curva de la figura 3. Lo que se observa en esa curva es que las mayores variaciones de temperatura se registran cuando consideramos regiones que ocupan aproximadamente 1° (dos lunas llenas) en el cielo. Dicho de otra manera, el tamaño típico de los puntos calientes y fríos del mapa de anisotropías es de aproximadamente 1°. Eso es lo que nos dice el primer pico del espectro, pero además hay otros picos más bajos para escalas menores. ¿Cómo podemos explicarlos?

OSCILACIONES A TRAVÉS DEL PLASMA QUE GENERAN ONDAS SONORAS

Todo indica que, al comienzo, el plasma no era completamente homogéneo, sino que presentaba regiones en las que la densidad era ligeramente mayor o menor que la media. Así, las zonas con una densidad un poco mayor debieron comenzar a colapsar sobre sí mismas por efecto de la gravedad, comprimiendo el plasma. Pero los fotones ejercen una presión que se opone a esa contracción y acaba por detenerla (momento en que la región alcanza la máxima compresión) y revertirla. La región se expande hasta alcanzar su máxima rarefacción (mínima densidad), momento en que vuelve a empezar a contraerse. Así, la región oscila entre compresiones y rarefacciones, y esas oscilaciones se transmiten a través del plasma en forma de ondas acústicas, de manera muy similar a cómo se transmite el sonido en el aire.

Otras regiones de distintos tamaños oscilarán a distintos ritmos (más despacio cuanto más grande sea la región, dado que el plasma tiene que recorrer más distancia entre las compresiones y las rarefacciones), lo que se traduce en que habrá una infinidad de ondas de distintas frecuencias viajando por el plasma. En el momento de la recombinación los electrones se unen con los núcleos y los fotones quedan libres. Cuando eso pasa, algunas de las ondas de las que hablábamos se encontrarían justamente provocando compresiones (en unas regiones del plasma) y rarefacciones (en otras) máximas o, lo que es lo mismo, las máximas fluctuaciones en la temperatura de los fotones; son precisamente esas ondas las que producen los picos del espectro de potencias.

En concreto, la onda que produce el primer pico (y que recibe el nombre de modo fundamental) es aquella que había tenido tiempo de provocar una única compresión en las regiones más densas. Los siguientes picos corresponden a ondas que habían tenido tiempo de causar una compresión y una rarefacción (el segundo pico); una compresión, una rarefacción y otra compresión (tercer pico), y así sucesivamente. Las ondas de estos picos menores tienen frecuencias que son el doble, el triple, etc., que la del modo fundamental por lo que, por analogía con un instrumento musical, a veces se las llama armónicos.

LO QUE ESCONDE EL ESPECTRO DE POTENCIAS

El espectro de potencias de la figura 3 nos permite deducir muchas características de nuestro Universo, del mismo modo que estudiando el espectro del sonido de un instrumento musical podemos descubrir algunas de sus propiedades, como si es de cuerda o de viento, o su longitud. Por ejemplo, la posición del primer pico es muy sensible a la curvatura espacial del Universo. Una manera de visualizar la expansión del Universo es imaginarlo como la superficie de un globo que se hincha. Pero el Universo no tiene por qué ser «cerrado» como un globo, también podría ser «plano» como una hoja de papel o «abierto» como una silla de montar, como se muestra en la figura.

Para distinguir entre estas tres posibilidades, podemos usar lo que se conoce como una «regla estándar», que no es más que un objeto de unas dimensiones conocidas. Si, además, sabemos la distancia a la que se encuentra ese objeto, podremos calcular el ángulo que ocuparía en el cielo en función de la geometría del Universo. Como regla estándar podemos usar el diámetro de uno de los puntos fríos o calientes típicos del mapa de anisotropías, que está relacionado con la longitud de onda del modo fundamental (la cual puede calcularse a partir de la edad del Universo en el momento de la recombinación y de la velocidad del sonido en el plasma, ambos datos conocidos). Como vemos en la figura, el ángulo que ocupa en el cielo uno de estos puntos típicos solo es de un grado en un Universo plano: para un Universo abierto el ángulo sería menor (y el primer pico de la figura 3 aparecería más a la derecha) y para un Universo cerrado sería mayor.

Así pues, el estudio del espectro de potencias del fondo de radiación nos permite concluir que vivimos en un Universo plano. Por otro lado, comparando la altura de los dos primeros picos, podemos obtener información acerca de la cantidad de bariones (materia ordinaria). En efecto, recordemos que el primer pico, y en general todos los picos impares, corresponden a una compresión de aquellas zonas que originalmente eran un poco más densas, mientras que el segundo pico, y todos los picos pares, corresponde a una rarefacción. Ahora bien, la gravedad de los bariones favorece la compresión y se opone a la rarefacción, por lo que una mayor densidad de ellos potenciará los picos impares frente a los pares. Así, analizando la altura relativa de los dos primeros picos, podemos deducir la densidad de materia ordinaria, obteniendo un resultado que concuerda perfectamente con las predicciones de nucleosíntesis: constituye, aproximadamente, el 5 % de la energía del Universo. Y, analizando conjuntamente los tres primeros picos, podemos deducir que la materia oscura constituye aproximadamente otro 25 %. Estos resultados implican que el 70 % restante no es ni materia oscura ni materia ordinaria: así, el fondo de radiación de microondas proporciona pruebas indirectas que apoyan la existencia de una nueva componente: la energía oscura.

Por tanto, vemos que hay diversas observaciones que sirven para inferir la existencia de la materia oscura y calcular su contribución al contenido energético del Universo. Pero todavía queda por responder la pregunta del millón: ¿qué es esta materia oscura?

CONTINUARÁ