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El Universo que no se ve

2015-07-05T00:00:00 Enrique Pérez Montero (IAA-CSIC)

El 15 de febrero de 2013 se produjo una de las más las increíbles coincidencias que se hayan visto jamás en lo que a fenómenos astronómicos se refiere. Todos esperábamos con los dedos cruzados al paso del asteroide 2012-DA-14 a unos 28.000 km de la superficie de la Tierra, una distancia tan ridículamente pequeña en términos astronómicos que casi podía considerarse que nos pasaría rozando.  De hecho, es menos de una décima parte de la distancia entre la Tierra y la Luna y algunos satélites geoestacionarios con fines científicos orbitan alrededor de la Tierra a una distancia mayor. El diámetro de dicho asteroide rondaba los 50 metros y había sido descubierto el año pasado por integrantes del grupo de caza-asteroides aficionados del observatorio de La Sagra, en Mallorca. Gracias a la antelación con que fue descubierto y su posterior seguimiento se pudo predecir que no chocaría contra nosotros, aunque sí que pasaría muy cerca. Sin embargo, sólo separado por unas horas, otro asteroide se cruzó en nuestro camino y, esta vez sí, colisionó con la Tierra cerca de la ciudad rusa de Cheliabinsk, a unos 1500 km al este de Moscú. Este otro asteroide tenía unos 17 m de diámetro y su explosión, a unos 20 km de altitud, liberó tanta energía como 30 veces la bomba de Hiroshima, causando una onda expansiva que hizo añicos todos los cristales de la ciudad y provocando más de un millar de heridos, todos leves afortunadamente. Para ilustrar la magnitud de semejante coincidencia  entre el paso de ambos asteroides baste con citar que la anterior colisión de la que se tiene constancia de un meteorito mayor fue hace 105 años, cuando un cometa de unos 80 m de diámetro se estrelló en Tunguska, en Siberia, arrasando más de 2000 km cuadrados de bosque afortunadamente deshabitado. Es decir, que la tasa de incidencia de colisiones con objetos de entre 10 y 100 m de diámetro es de una vez cada 100 años, aproximadamente.

Es tal, pues, la casualidad que de manera casi inevitable nos preguntamos por la relación entre ambos sucesos. Si resulta que los astrólogos andan diciendo que la actual crisis financiera es debida a una conjunción de los planetas Urano y Plutón (ellos siguen considerando planeta a Plutón, aunque sabemos que hay muchos más de su tamaño a su distancia) sólo porque también ocurrió lo mismo en el crack de 1929, sin mayor base científica que la pura coincidencia (como si no hubiera habido crisis entre tanto), ¿cómo no vamos a relacionar de manera inevitable el paso y colisión de ambos proyectiles espaciales cerca de la Tierra, justo el mismo día?  Una explicación  razonable es que se trataran de fragmentos del mismo asteroide, pero dicha posibilidad se descartó rápidamente ya que el meteorito que colisionó en Cheliabinsk tenía un origen y una velocidad totalmente opuestos al otro asteroide más grande (nótese que los asteroides sólo son considerados meteoritos cuando colisionan con la Tierra) y de hecho es ahí donde radica la diferencia entre que uno fuera descubierto y el otro no. Actualmente, no hay un programa serio de búsqueda de cuerpos menores en el Sistema Solar, y en su mayoría se encargan de esto ciertos grupos aficionados que usan sus propios medios. Estos medios modestos han permitido descubrir casi todos los cuerpos rocosos cercanos a la órbita de la Tierra de más de 100 m de diámetro y la mayoría de los más pequeños con una órbita externa, no siendo éste el caso de los interiores. Esto ocurre porque estos objetos sólo son visibles cuando reflejan la luz del Sol ya que no emiten con luz propia y son del todo invisibles para estos grupos si se interponen entre el Sol y la Tierra. Este es justo el caso del bólido de Cheliabinsk, que entró en trayectoria rasante de este a oeste en la dirección del Sol, por lo que su presencia no fue evidente hasta que era demasiado tarde. En realidad los medios para evitar una colisión de este tipo son muy limitados, a diferencia de lo que nos sugieren ciertas películas, pero sí se hubiera podido alertar a la población con cierta antelación. Aunque hay ciertos proyectos para instalar telescopios infrarrojos a la altura de la ótbita de Venus para identificar todos los cuerpos rocosos menores desde el interior del Sistema Solar, aún estamos lejos de que estos se lleven a la práctica con el consiguiente riesgo que estos cuerpos menores tienen. Hasta entonces, los astrónomos están totalmente ciegos a estos fenómenos tan imprevisibles.

Fotografía del cráter provocado por el impacto del  bólido de Cheliabinsk.

Fotografía del cráter provocado por el impacto del  bólido de Cheliabinsk.

 

La lista de fenómenos astronómicos y cuerpos celestes de los que no tenemos noticias visuales es mucho más larga de lo que podríamos pensar. Es cierto que el desarrollo de telescopios más grandes en la superficie de la Tierra y de telescopios espaciales que observan en frecuencias filtradas por la atmósfera terrestre ha incrementado notablemente en los últimos años la información visual que nos llega desde el Universo, contando desde los cuerpos menores del Sistema Solar, lo que ha permitido descubrir planetas enanos del tipo de Plutón, hasta las primeras épocas del Universo y observar cómo eran las galaxias primigenias. No obstante, lo que se escapa a nuestros ojos a través de las lentes, espejos y detectores es aún mucho más, como se encarga de recordarnos dolorosamente la colisión con el meteorito en Rusia y es que la mayor parte del Universo no emite luz propia. Esta propiedad es intrínseca de las estrellas y, en ciertas ocasiones, de fenómenos violentos como la materia que se acelera y fricciona cuando orbita alrededor de un punto muy masivo, como el centro de una galaxia, que es lo que se produce en los cuásares. Por citar sólo algunos de los cuerpos y eventos que aún “no hemos visto”, pero que sabemos que están ahí, citaré los siguientes:

 

Planetas extrasolares o exoplanetas.

 El número de planetas que orbitan alrededor de estrellas distintas de nuestro Sol se ha visto incrementado de manera exponencial en los últimos años y actualmente roza ya el millar. Los planetas no emiten luz visible propia y el reflejo de la luz de la estrella alrededor de la cual orbitan es tan tenue a la distancia a la que nos encontramos que es casi imposible de detectar. Con los medios actuales, sólo hay imágenes directas de unos pocos planetas gigantes y masivos que están lo bastante apartados de la estrella para que el brillo de ésta no los cubra. Sin embargo aunque sepamos que están ahí, la mayoría no han sido aún fotografiados. Uno de los más eficientes descubridores de exoplanetas, o al menos de candidatos a serlo, es el observatorio espacial Kepler, de la NASA. Este satélite monitoriza la luz de millones de estrellas en una parte del cielo y mide las mínimas variaciones de luz emitida por las mismas. Cuando un exoplaneta pasa por delante de su estrella central, fenómeno conocido como tránsito, la luz de la estrella disminuye ligeramente. Los motivos por los que la luz de una estrella puede variar pueden ser otros, pero hay modelos de evolución estelar y una rama de la física llamada astrosismología que predice la mgnitud y frecuencia de estas variaciones, con lo que pueden identificarse los cambios en la luz de una estrella debidos a un tránsito planetaria e identificar los sistemas candidatos a albergar exoplanetas. Como esta técnica depende de que el planeta pase por delante de la estrella, otro método para identificar estos cuerpos está basada en el movimiento de la estrella, que tiene un ligero “cabeceo” cuando un planeta está cerca de ella, debido a la mutua atracción gravitatoria. Este fenómeno de perturbación gravitatoria ya llevó en a mediados del siglo XIX a predecir la existencia del planeta Neptuno, antes de su observación directa, a partir del estudio de la trayectoria de Urano. Así pues, intuimos que cada estrella tiene uno o varios planetas orbitando a su alrededor, lo que elevaría su número a miles de millones sólo en nuestra Galaxia, tenemos evidencias de la existencia de casi mil de estos, pero no hay imágenes de casi ninguno en la actualidad.

Imágen del disco protoplanetario de HL Tauri tomada por el interfer. Las bandas oscuras se cree indican  órbitas planetarias (crédito: ESO)

Imágen del disco protoplanetario de HL Tauri tomada por el interfer. Las bandas oscuras se cree indican  órbitas planetarias (crédito: ESO)

 

Agujeros negros.

Sin duda son el paradigma de cuerpo astronómico que, por definición, no puede observarse de manera directa. Su existencia fue predicha teóricamente como consecuencia de la teoría general de la relatividad de Albert Einstein. En esta teoría, los cuerpos con masa curvan el espacio-tiempo que los rodea afectando a las trayectorias de otros cuerpos con masa e incluso fotones luminososo que pasan cerca. En la teoría, los agujeros negros aparecían al suponer puntos de densidad infinita, que curvan el espacio tiempo de tal manera que se crea un vórtice del cual nada de lo que cae en ellos puede escapar, ni siquiera la luz y de ahí su nombre de “negros”.  Se piensa que un agujero negro puede formarse tras la muerte de una estrella masiva, la cual explota como supernova una vez agota el combustible nuclear y cesan las reacciones de fusión que contrarrestan su peso. Una vez las reacciones nucleares se detienen la estrella se colapsa y la mayoría de su masa queda atrapada en un único punto central, originando una singularidad y un agujero negro. Los agujeros negros no han podido ser observados, sino sólo los efectos que se producen en la materia justo antes de caer en ellos. Este hecho puede producirse en una estrella binaria, por ejemplo, si una de sus componentes se ha convertido en agujero negro y la masa de la estrella que aún brilla cae en el mismo. La fricción de la masa al girar en forma de disco, llamado disco de acreción, antes de caer en el agujero, como el agua que gira en el lavabo antes de caer por un desagüe, se calienta a temperaturas altísimas y emite grandes cantidades de radiación en todas las frecuencias, desde los energéticos rayos X hasta ondas de radio emitidas por los electrones acelerados en los poderosos campos magnéticos que se generan. Hay varios miles de objetos de este tipo catalogados por su emisión en estas frecuencias y hay una certeza muy grande de que sean debidos a agujeros negros, pero no hay una evidencia observacional directa en ningún caso. Otro método de detección de los agujeros negros se ha encontrado observando el movimiento de las estrellas cerca de los centros de las galaxias, los cuales se piensa que albergan un agujero negro supermasivo, con la masa equivalente a varios millones de soles. Semejante fuerza gravitacional influye forzosamente en las trayectorias de todas las estrellas cercanas y esto es lo que se ha visto, por ejemplo, cuando miramos en dirección al centro de nuestra propia galaxia. El seguimiento de las trayectorias de las estrellas que ahí se sitúan sólo es comprensible con la existencia de un punto que disponga de una masa semejante. En algunas galaxias, además, llamadas “activas” se observa el mismo patrón de radiación X y radio que se observa en binarias de rayos X en las que se piensa que hay un agujero negro, con lo que es probable que dichas galaxias alberguen un agujero negro central supermasivo en que un disco de acreción está en proceso de formación.

Recreación de las órbitas estelares alrededor de SGRA*, un candidato a agujero negro supermasivo en el centro de nuestra galaxia.

Recreación de las órbitas estelares alrededor de SGRA*, un candidato a agujero negro supermasivo en el centro de nuestra galaxia (Crédito: ESO).

 

La materia oscura.

Como hemos visto, tanto con los exoplanetas como con los agujeros negros, cuando a los astrónomos les es imposible acceder a la información que otorga la radiación luminosa, un aliado imprescindible para deducir la presencia de cuerpos no brillantes es la gravedad, que afecta al movimiento de otros cuerpos luminosos cercanos. Un ejemplo más claro de este tipo de método deductivo lo otorga la materia oscura que es, sin lugar a dudas, uno de los mayores misterios que permanencen velados en la naturaleza al conocimiento ser humano. La materia oscura tiene un nombre engañolo porque, en realidad, no es oscura sino más bien transparente. Se sabe de su existencia a partir del análisis del movimiento de rotación de las estrellas en las galaxias de disco y también a partir del movimiento relativo de unas galaxias en relación a otras. Cuando uno hace cuentas y calcula la cantidad de materia que tiene que tener una galaxia para que sus estrellas puedan girar a la velocidad a la que lo hacen (por ejemplo, nuestro Sol orbita alrededor del centro de la galaxia a una velocidad de más de 800.000 kilómetros por hora) y compara esa cantidad con la materia de las propias estrellas de la galaxia, de su agujero negro central y de otras fuentes que pueden medirse porque emiten luz en otras frecuencias, como el gas o el polvo, resulta que falta un 80% del valor necesario para explicar estas velocidades. Lo único fehaciente que se sabe de la materia que falta es que interacciona gravitatoriamente con la materia que sí vemos, pero que ni emite, ni refleja, ni dispersa, ni absorbe la luz con lo que su detección directa por medio de observaciones no es factible en la actualidad. Hay numerosos proyectos y expermientos en aceleradores de partículas para intentar desentrñar qué partículas exóticas forman esta materia que, además, tiene que ser la más abundante del Universo, pero hasta ahora no se ha logrado obtener ninguna explicación plausible sobre su naturaleza.

Mapa 3D de la Materia Oscura a través del análisis de datos del Hubble Space Telescope

Mapa 3D de la Materia Oscura a través del análisis de datos del Hubble Space Telescope (Credit: ESA; Richard Massey)

 

La energía oscura.

Para finalizar otro misterio del cosmos que tiene su origen en un descubrimiento más reciente y que, como casi todos aquello fenómenos que no podemos observar o cuya naturaleza desconocemos, le han puesto el apellido de “oscuro”. La energía oscura es aún más misteriosa, si cabe, que la materia oscura. Se sabe de su existencia a partir de resultados observacionales sobre la tasa de expansión del Universo después de la Gran Explosión con que comenzó todo. Hasta hace unos años había dudas sobre el destino final del Univeso en función de si la densidad de materia alojada en él sería o no capaz de frenar su expansión y si, por tanto, la expansión sería indefinida o si habría un frenazo y una posterior compresión dando paso final a que toda la materia y energía se reunieran en un único punto como al principio. No obstante la medida de la tasa de expansión a partir de las velocidades de recesión de objetos muy lejanos dio paso a la sorprendente conclusión de que las galaxias cada vez se separan más rápido unas de otras en contraste con lo que se esperaba si la gravedad fuera frenando progresivamente dicha expansión. La única explicación plausible a dicho comportamiento es la existencia de “algo” que proporcione energía adicional al movimiento de expansión y contrarreste la atracción gravitatoria. Ese “algo” es la energía oscura. Los cálculos sobre cuánta energía oscura hace falta para explicar el aceleramiento observado indican que su cantidad es equivalente a unas cuatro veces la cantidad de materia (visible y oscura) que hay en él. Aunque hay recientes observaciones que confirman su existencia a partir de la emisión en rayos X en cúmulos de galaxias que están sobre-calentados, al igual que con la materia oscura, los científicos andamos un poco perdidos sobre su origen y naturaleza verdadera.

Composción del Universo según el modelo más actual: 68,3% Energía Oscura; 26;8 Materia Oscura y 4.9%, Materia ordinariaComposción del Universo según el modelo más actual: 68,3% Energía Oscura; 26;8 Materia Oscura y 4.9%, Materia ordinaria

En resumen, del total de materia y energía que pensamos que hay en el Universo, la materia tal como la conocemos sólo es un 5% del total. De esta sólo pueden ser detectados directamente aquellos cuerpos que emiten con luz propia, en su mayoría estrellas y, del resto, tenemos noticias por la gravedad. A veces, como en el caso de los cuerpos rocosos menores de nuestro Sistema Solar, a veces, ni eso y sólo tenemos plena consciencia de ellos cuando caen sobre nuestras cabezas. Afortunadamente, el método científico dispone de herramientas deductivas y de la imaginación de los científicos para lograr entender todo ese mundo de misteriors insondables que aún pueblan nuestro Universo. Esperemos que estas herramientas den sus frutos algún día.

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