Viejas historias

La ley de gravitación universal y las leyes del movimiento, establecidas por Isaac Newton, fueron las herramientas utilizadas por los astrónomos para predecir el movimiento de los cuerpos celestes. Más aún, cuando la órbita de algún planeta se apartaba de lo que estas leyes predecían, los astrónomos no dudaban en postular la existencia de algún otro cuerpo celeste todavía no descubierto como responsable de tal comportamiento.

Tal fue el caso de Urano, cuyo movimiento parecía no cumplir con las leyes de Newton como notaron John C. Adams y Urbain Le Verrier a mediados del siglo XIX. Sin poner en duda la validez de las leyes, estos astrónomos propusieron la existencia de un planeta aún no observado cuya atracción gravitatoria sería la responsable de la perturbación del movimiento de Urano. Le Verrier calculó las coordenadas en donde este planeta debía aparecer y se las comunicó a Johann G. Galle para que dirija su telescopio hacia ese lugar. El supuesto planeta, denominado Neptuno, acudió a la cita haciendo realidad la predicción de Le Verrier en una noche de septiembre de 1846.

Las leyes de Newton no sólo habían podido explicar el movimiento de los planetas conocidos, reproduciendo las leyes que Kepler enunciara en forma empírica, sino que además habían conducido al descubrimiento de todo un planeta, Neptuno, a partir de las irregularidades detectadas en la órbita de otro, Urano. La confianza en estas leyes no podía ser mayor en aquellos días.

Sin embargo, existía un problema con la órbita del planeta más cercano al Sol, Mercurio. Si bien se habían considerado las influencias gravitacionales de Venus, la Tierra, Júpiter y Saturno, todavía quedaba una pequeña irregularidad en la órbita de Mercurio que no tenía una explicación clara. Este planeta gira alrededor del Sol describiendo una elipse que tiene a su vez un ligero movimiento de rotación, fenómeno conocido como precesión del perihelio de Mercurio.

Como era de esperarse, Urbain Le Verrier no dudó en postular la presencia de otro planeta, pero esta vez no en los confines del sistema solar sino en el vecindario inmediato del Sol. Poco se dudaba acerca de la existencia de este planeta, denominado Vulcano por aquel entonces, y su búsqueda prosiguió durante muchos años conduciendo a repetidos fracasos y frustraciones. Pero, si bien Vulcano no aparecía ni al amanecer, ni al atardecer y tampoco mientras ocurría algún eclipse, Mercurio seguía obstinado en orbitar extrañamente alrededor del Sol.

Esta vez no era posible identificar al culpable de tal comportamiento y confirmar una vez más la validez de las leyes de Newton. La explicación requeriría de una revisión profunda de las leyes de la mecánica y de la gravitación.

En 1915, Albert Einstein expone su teoría de la relatividad general mostrando que las leyes de la mecánica y de la gravitación propuestas por Newton no eran totalmente correctas. Si bien el modelo de Newton, establecido en la segunda mitad del siglo XVII, describe con precisión la gran mayoría de los experimentos terrestres y de las observaciones astronómicas, es sólo aproximadamente correcto. La relatividad general llegaba para proporcionar una descripción más exacta de la naturaleza y explicaba, en particular, la precesión del perihelio de Mercurio, allí en donde el intenso campo gravitatorio del Sol perturbaba hasta a las leyes de Newton.

Así, el modelo de Newton dio paso a la teoría de Einstein y Vulcano ya no fue más motivo de intensas búsquedas para los astrónomos, aunque sí es muy recordado por ser el planeta natal del Sr. Spock, localizado esta vez en otro lugar del Universo.

Al borde de la ley

La mecánica de Newton, no obstante, seguía siendo válida cuando los campos gravitacionales no eran tan intensos. En 1932 el astrónomo holandés Jan H. Oort estudió el movimiento de las estrellas cercanas al disco de nuestra propia galaxia y utilizando la mecánica de Newton pudo estimar la masa del disco galáctico responsable de tales velocidades, observando con sorpresa que la masa calculada era el doble de la observada en forma de estrellas y nebulosas.

A su vez, el astrónomo suizo Fritz Zwicky se propuso analizar las velocidades de las galaxias que se agrupan formando cúmulos, observando en particular las que pertenecían al Cúmulo de Coma. Para su sorpresa, determinó que muchas galaxias se movían a velocidades demasiado grandes como para permanecer unidas por la débil atracción gravitatoria formando configuraciones estables. Este notable astrónomo se adelanta a su época y concluye en 1933 que los cúmulos deberían contener materia no luminosa aún no detectada que los mantuviera en equilibrio.
Si bien este resultado no atrae demasiado la atención en aquellos tiempos, hacia fines del siglo XX se hace cada vez más evidente que las mediciones de masas de galaxias o de grupos de galaxias utilizando la ley de gravitación produce valores muy superiores a los que surgen de relevar toda la materia en forma de estrellas, gas y polvo visible en ellas.

En 1980, Vera C. Rubin, W. Kent Ford y Norbert Thonnard obtuvieron las velocidades de rotación de estrellas y de material interestelar (curvas de rotación) sobre un conjunto de galaxias espirales de diferentes características. Nuevamente, el resultado obtenido produjo gran sorpresa. Las estrellas mostraban aproximadamente la misma velocidad de rotación a muy diferentes distancias del centro de la galaxia. Este no podía ser el caso si se toma en cuenta la materia luminosa de la galaxia, ya que la masa de la misma disminuye rápidamente después de un cierto radio a partir del centro, por lo que las velocidades de rotación deberían decaer rápidamente. Entonces, esta aproximada “constancia” en las curvas de rotación no sólo los llevó a proponer que las galaxias debían contener materia no luminosa no detectada sino que además ésta se extendería más allá de los límites visibles de las galaxias y cuyos efectos gravitacionales serían los responsables del comportamiento observado en las curvas de rotación.

Curva de rotación típica de una galaxia espiral. Se muestra en rojo la velocidad en km/s medida en función de la distancia al centro (R) en kiloparsecs (1 kpc equivale a 3262 años luz). En azul se esquematiza la velocidad calculada debido a la acción gravitatoria de la masa visible. Es evidente que al aumentar la distancia al centro de la galaxia, la velocidad debería disminuir, pero en cambio permanece casi constante. Esto se explica con la presencia de una gran masa en un halo de "materia oscura".

Todos estos resultados, junto a otros que no se han mencionado, muestran suficientes evidencias de que existen grandes cantidades de materia en las galaxias que aún no ha sido posible detectar con los medios que disponemos actualmente... a menos que las leyes de la naturaleza tal como hoy las conocemos sean incorrectas, hipótesis que se descarta puesto que éstas explican un gran cantidad de fenómenos conocidos. Aceptando la presencia de materia oscura en el Universo, solo resta averiguar cuál es su naturaleza.

Así estaban las cosas hasta 1998, en donde las evidencias mostraban que un 96% del Universo estaba constituido por materia oscura de naturaleza incierta y el 4% restante de “materia normal” la cual conforma todos los cuerpos celestes conocidos y los nuestros también.

Pero esto no es todo. Como siempre ocurre, nuevos datos experimentales comenzaron a revelar un costado aún más sombrío y misterioso de nuestro Universo.
 

Un balance que no termina de cerrar

Observaciones realizadas sobre Supernovas distantes, estrellas que por alguna razón se vuelven inestables y liberan una gran cantidad de energía en poco tiempo, no solo muestran que nuestro Universo se está expandiendo, sino que además lo hace aceleradamente. La única forma de explicar este comportamiento que hoy encuentran los astrofísicos es atribuir la causa de esta aceleración a una forma de energía que empuja a alejarse cada vez más rápidamente a los cuerpos celestes. Como no podía ser de otra manera, la denominan “energía oscura”. Ninguno conoce qué puede ser esta energía oscura, solo se cuenta con ciertas evidencias experimentales y con lo que alguna vez dijo Einstein que habría sido la “peor metida de pata de su vida“.

La teoría de la relatividad general predice que el Universo debe colapsar bajo la implacable atracción gravitatoria, pero Einstein asumió que el Universo no debe expandirse ni contraerse, que no debía cambiar, permaneciendo de alguna manera “estático”. Para hacer esto posible, agregó un término a sus ecuaciones para contrarrestar la atracción gravitatoria e impedir el colapso final. Lo que Einstein hizo fue agregar una constante, conocida como “constante cosmológica”, cuya gravedad es repulsiva, sin tener la certeza de su realidad. Tiempo después, el astrónomo Edwin Hubble observó que el Universo se estaba expandiendo y asumió que se había desacelerado y que incluso podía llegar a detenerse. Esto fue lo que llevó a Einstein a caracterizar a su “constante cosmológica” como la “peor metida de pata de su vida”.

Hoy, en la oscuridad de los nuevos hallazgos, existe la posibilidad de que Einstein haya acertado. La causa de la gravedad repulsiva puede ser algo bastante afín a su constante cosmológica, aunque también puede ser algo totalmente nuevo o inesperado.

Mojones en el Universo

Las distancias que se miden en el Universo, además de tener un sentido espacial, también tienen una connotación temporal. Las imágenes que recibimos de los objetos celestes provienen de su pasado. La luz del Sol, por ejemplo, tarda ocho minutos en alcanzar la Tierra. De la misma manera, las imágenes de galaxias muy lejanas corresponden a etapas en la evolución del Universo muy anteriores a la actual, por lo que utilizarlas de referencia para realizar mediciones y extraer conclusiones podría ser muy engañoso. Era necesario encontrar una especie de “mojón”, un centinela, de luminosidad comparable a la de las galaxias, pero que apenas variara de un objeto a otro, tanto en el Universo cercano como en el lejano... y los astrónomos encontraron uno: las Supernovas de tipo Ia.

Las Supernovas son estrellas que aparecen inesperadamente en el cielo y que resultan visibles por un corto período de tiempo. Esta denominación corresponde en realidad a la última fase en la evolución de algunas estrellas, cuando una vez agotado su combustible se tornan inestables y colapsan sobre sí mismas produciendo una explosión que compite en luminosidad con la galaxia que las alberga. Existen dos clases de Supernovas, las que se originan a partir de estrellas muy masivas y las que se crean a partir de la explosión de una estrella enana blanca que acompaña a otra estrella formando un sistema binario. En este último caso, si la enana blanca comienza a absorber materia de su estrella compañera alcanza un límite definido en donde se desatan reacciones nucleares que conducen a su desintegración total. Estas Supernovas son las de clase Ia y muestran una extraordinaria uniformidad en su brillo debido a su peculiar evolución, lo que las convierte en verdaderos “mojones” del Universo... claro que, son mojones que aparecen repentinamente, en cualquier lugar y, para peor, son visibles durante poco tiempo.

Armando el rompecabezas, si se conoce el brillo intrínseco de las Supernovas Ia y teniendo en cuenta que el mismo disminuye en forma inversa al cuadrado de la distancia que nos separa de ellas, además de otras cuestiones, es posible estimar a qué distancia se hallan. Además, también es posible determinar la velocidad a la cual se alejan de nosotros usando el efecto Doppler: las ondas sufren un alargamiento en longitud, o corrimiento al rojo en el espectro, si el objeto emisor se aleja de nosotros. El estudio de este corrimiento permite deducir la velocidad de alejamiento. Por lo tanto, están dados todos los elementos para buscar “mojones” en el Universo y determinar su ritmo de expansión.

Nuevas evidencias entran en escena

Hacia 1998 se creía que la expansión del Universo se estaba frenando como consecuencia de la fuerza de gravedad de la materia que lo conforma, pero los resultados acumulados indicaban que algo no estaba bien. Para un Universo desacelerado se esperaba que, dada una cierta velocidad de expansión, las Supernovas estuvieran a una cierta distancia. Si el Universo no tenía ninguna desaceleración, es decir con un Universo vacío, se esperaba que para la misma velocidad, las Supernovas estuvieran a una distancia mayor. Lo que las observaciones estaban mostrando era que las Supernovas estudiadas estaban mucho más lejos de lo esperado, incluso para un Universo sin materia que se atraiga a sí misma! Algo estaba empujando a las Supernovas y acelerando la marcha expansiva del Universo.

Pero esto no era todo. Mediciones sobre una Supernova muy distante en el espacio y en el tiempo, muestran que el Universo se estaba expandiendo desaceleradamente en ese entonces, mientras la gravedad era la fuerza dominante, lo que parece haber cambiado unos 4000 a 8000 millones de años atrás, cuando por efecto de una fuerza repulsiva comenzó a acelerarse.

A su vez, los estudios realizados con el Observatorio de Rayos X Chandra sobre un conjunto de 26 clusters de galaxias a una distancia entre 1000 y 8000 millones de años luz trazan la transición del Universo desde una fase de desaceleración hacia otra de aceleración.

Todo indica que la expansión del Universo estaba frenándose después del Big Bang hasta unos 6000 millones de años atrás. En este punto, la fuerza de la denominada “energía oscura” prevaleció sobre la atracción gravitatoria de la masa existente y la expansión comenzó a acelerarse hasta nuestros días.

Los resultados obtenidos con el Observatorio Chandra son de gran valor ya que concuerdan con los registrados usando Supernovas. Esto garantiza la validez de las conclusiones puesto que las dos técnicas usadas son totalmente independientes, tanto en la clase de objetos observados como en el tipo de señal analizada.

Nuestra imagen actual del Universo

Reuniendo todas las evidencias sobre la mesa, actualmente se cree que existen tres tipos de entidades en el Universo de todos los días: materia normal, materia oscura y energía oscura.

La materia normal está constituida por átomos y conforma estrellas, planetas, seres humanos y todos los objetos visibles o, más bien, detectables del Universo conocido. Aunque suene bastante raro, se cree que la materia ordinaria constituye sólo un 5% del Universo.

La materia oscura, de naturaleza desconocida, se cree que alcanza aproximadamente un 25% del Universo actual y ha sido el agente responsable de producir el crecimiento de las estructuras cósmicas. Se piensa que de no existir materia oscura no se hubieran formado galaxias, estrellas y planetas, con seres humanos incluidos.

Pero, el período de dominación de la materia ha culminado y su importancia está más vinculada al pasado que al presente o al futuro. Ahora, el nuevo reinado parece ser el de la energía oscura, la cual es suficiente para causar la actual expansión acelerada del Universo. Se estima que la energía oscura constituye el 70% restante del Universo.

Neptunos y Vulcanos, confirmaciones y frustraciones, corazonadas y conjeturas, ideas descabelladas, materia oscura y energía oscura, metidas de pata y aciertos, todo ha ido contribuyendo en su medida a elaborar la visión que hoy tenemos del Universo... que por cierto o por suerte, dista muchísimo de ser definitiva.