Uno de los problemas
más importantes a los que se enfrenta la cosmología
actual es la determinación
de los componentes del Universo, es decir; su historia y
evolución del mismo. Esencialmente, estos constituyentes
están a su vez formados por materia y energía
del vacío. El estudio de este aspecto se basa en el
interés de poder explicar al Universo tal cual es observado
actualmente, así como el poder entender su origen, desarrollo y
curso futuro. Dentro de las observaciones astronómicas que se
han hecho a lo largo de mucho tiempo, se ha encontrado que la
dinámica de ciertos objetos, es decir, su movimiento y las
causas que lo producen, no corresponden a la que cabría esperar
dadas las mediciones de la luz que se recibe de los mismos. Los
astrónomos pueden estudiar al Universo a través de la luz
que reciben de los objetos que la emiten. Esta proporciona
información sobre la velocidad, distancia y movimiento, entre
otras cantidades, del objeto que se esta observando. Gracias a esta
información, se ha llegado a la conclusión de que existe "algo" que influencia el movimiento
de los objetos en el Universo, de tal manera que altera al mismo por
medio de su interacción gravitacional siendo esta la
única evidencia de su existencia debido a que no se ha observado
su influencia por medio de otra manera.
La necesidad de considerar la existencia de la materia obscura en el
universo ha sido establecida por observaciones astronómicas a
muy variadas escalas, desde el nivel galáctico hasta
cúmulos de galaxias. Varias de las propuestas que han surgido
para tratar de explicar este hecho, sugieren la existencia de "materia exótica",
es decir, materia que interactúa muy débilmente con la
materia ordinaria, hasta modificaciones no relativistas de la
mecánica Newtoniana e incluso, teorías que no incluyen a
la relatividad general. El hecho es que la materia obscura es uno de
los componentes más importantes del Universo y su naturaleza es
completamente desconocida. Por ejemplo, a escala galáctica,
diversas observaciones indican que las curvas de rotación, es
decir, el movimiento coplanar orbital del gas en las partes exteriores
de las galaxias, son constantes para valores grandes del radio
luminoso, las inconsistencias surgen en el momento en que queremos
aplicar un análisis newtoniano para explicar el problema. De
acuerdo con la mecánica newtoniana, la velocidad de las curvas
de rotación debería decrecer conforme nos alejamos del
centro galáctico, lo cual no sucede. Esto lleva a pensar que
existe algún tipo de materia que no se detecta salvo por su
interacción gravitacional con la materia ordinaria. Dentro de
las explicaciones más aceptadas, se encuentra la
suposición de que existe un "halo esférico de
materia obscura de naturaleza aún desconocida" que rodea
a la galaxia y que contribuye como la materia que se necesita para
producir el comportamiento plano de las curvas de rotación. El "Problema de la Materia
Obscura" constituye una de la interrogante más importante
a ser resueltas por la física actual.
Los Candidatos a Materia
Obscura
La materia obscura es
generalmente dividida en dos grandes subgrupos (además de Hot Dark Matter (HDM)
y Cold Dark Matter
(CDM)); aquellos compuestos por material bariónico y no
bariónico. Los candidatos bariónicos emiten
únicamente radiación de cuerpo negro extremadamente
débil, y los mejores candidatos son agregados no masivos de
partículas, más que partículas individuales. Los
candidatos no bariónicos son neutros, es decir, no tienen carga
eléctrica, por lo que no hay interacciones
electromagnéticas con el resto de la materia así que no
puede haber algún tipo de radiación emitida por estas
partículas.
Candidatos no
Bariónicos:
Las contribuciones de
materia obscura de origen bariónico y no bariónico a la
masa total de Universo pueden acotarse por medio de la cantidad de
Helio que se produjo de los bariones en el Universo temprano. Esto lo
explica la teoría de la Nucleosíntesis
en el Big Bang. Cuando el Universo tenía un segundo de edad, la
proporción del número de neutrones al de protones era de Nn/Np
= 0.2 (el neutrón tiene una masa de 1.29 MeV/c2 y es
más masivo que el protón). Había un neutrón
por cada cinco protones. Cuando la temperatura del Universo
bajón a 0.1 MeV, comenzó la producción de deuterio
de la reacción
n + p -> D + foton .
Un neutrón aislado
tiene una vida media de 11 segundos, en el momento en que la
producción de deuterio comenzó, Nn/Np
era alrededor de
0.14. A esto le siguió una cantidad de deuterio,
protones y neutrones formando núcleos de helio. Suponiendo que
todos los neutrones formaran núcleos de helio, se puede
encontrar la abundancia primordial del mismo, la cual es igual a
(2Nn/Np
)/(1 + Nn/Np
) = 0.25 .
Este valor, determinado
experimentalmente, fija la abundancia de helio primordial y concuerda
con el valor predicho por nucleosíntesis del Big Bang, que se
encuentra entre 23 - 25 % de la masa del Universo. La abundancia de
helio así como de otros elementos menos comunes producidos en el
Big Bang, tales como deuterio y litio, ayuda a fijar límites
sobre el valor de OmegaB. Algunos otros
elementos formados en pasos intermediaRíos de la
producción de helio son demasiado inestables para ser tomados en
cuenta. Un incremento de la cantidad OmegaB, significaría un
incremento en la producción del helio y un decremento en la
abundancia del deuterio, las reacciones que producen el helio son muy
eficientes. Por el contrario, un decremento en OmegaB significa una
disminución en la producción del helio. De hache que las
abundancias del helio sirven para fijar cotas sobre esta cantidad.
La materia obscura no bariónica es dividida en dos
categorías como ya se mencionó antes; HDM y CDM. Las
partículas de materia obscura fría también son
llamadas WIMP's
(por las siglas en inglés Weakly Interactive
Massive Particles), tienen masas más grandes y se mueven
más lentamente que las que pertenecen a HDM, como ya se
mencionó, esto es importante para la formación de
estructura galáctica.
Los Principales Candidatos No Bariónicos son:
a) Neutrinos.
b) Campos Escalares.
c) Axiones.
d) WIMP's.
e) Neutralinos, Axinos, Gravitinos, etc.
Entre los resultados
más importantes a nivel galáctico se encuentran las
mediciones de las curvas de rotación del Hidrógeno neutro
en el siglo pasado. Como se mencionó antes, la velocidad de
rotación atribuida a este componente no decrecía en la
forma que cabría esperar de acuerdo a las leyes de Kepler y el
teorema del virial, sino que continuaba de forma aproximadamente
constante con un valor de 200 Km/s. Este hecho, junto con el incremento
de la razón M/L conforme la distancia al centro de la galaxia
aumenta, las órbitas de las galaxias binarias, movimientos
aleatoRíos de galaxias en cúmulos y la
distribución de gas a temperaturas altas en los mismos, lleva a
establecer la existencia de un halo masivo cuya simetría se
asume esférica y que rodea a las galaxias, principalmente, a las
galaxias espirales. Entre los estudios que se han hecho a nivel de este
tipo de galaxias, se ha podido llegar a la conclusión de que
solo se ha estudiado del 5 al 10 % de la materia que compone al
Universo, aunque es aceptado que su componente principal actualmente,
es la energía del vacío o constante cosmológica.
La cantidad y naturaleza de la materia obscura en el Universo afecta la
formación de estructura en el mismo, sobretodo, en su
época temprana cuando las fluctuaciones cuánticas en la
densidad de energía determinaron el tipo de estructuras que se
iban a formar debido a la atracción gravitatoria producida por
las mismas.
La clasificación
más genérica dada a la materia obscura esta
subdividida en dos clases: fría y caliente, relacionadas
directamente con el valor atribuido a su masa y la velocidad con la que
esta se mueve, ya que la materia obscura es considerada
eléctricamente neutra. El tipo de estructura que se puede formar
a partir de cada clase es muy distinta debido a la forma en que las
inestabilidades gravitacionales que llevan a la formación de
estructura, son alteradas por la velocidad con la que esta materia se
mueve. Entre menor sea la masa y mayor la energía
cinética, más fácilmente será que las
estructuras que tiendan a formarse sean alargadas y de escalas del tipo
de cúmulos galácticos y supercúmulos. Por el
contrario, entre mayor sea la masa del candidato a considerar y menor
su energía cinética, estructuras pequeñas como
galaxias serán favorecidas en mayor número. Esta clase de
predicciones han sido contrastadas con las observaciones hechas para
poder discriminar los modelos que las proponen y considerar distintos
tipos o combinaciones que incluyen materia fría y caliente al
mismo tiempo "materia
obscura tibia" (WDM).
Además de la
clasificación mencionada, la materia obscura se subdivide en
candidatos bariónicos y no bariónicos, este hecho obedece
a que los candidatos bariónicos (polvo, gas, enanas blancas,
enanas cafés, agujeros negros, etc.) necesitan ser considerados
en cantidades que afectan de manera inadmisible la teoría de
nuclesíntesis y que no concuerdan con las observaciones llevadas
a cabo en su búsqueda, con lo cual, es posible considerar otro
tipo de candidatos que surgen naturalmente en el modelo estándar
y en sus extensiones. De esta forma, las posibles combinaciones que se
pueden hacer y su repercusión en la formación de
estructura y la abundancia de elementos primordiales tienden a
complicar el análisis, debido a que, como se ha expuesto
anteriormente, dentro de la construcción de los modelos que
consideran estos candidatos, hay que tomar en cuenta la forma en que
los términos añadidos a la teoría o Lagrangiano
que los producen, afectan las ecuaciones y en que momento de la
evolución del Universo se produce el rompimiento de la
simetría que da lugar a que adquieran masa y se distingan como
entes aparte, a partir de lo cual, hay que analizar como la
subsiguiente evolución de los mismos afecta las formación
de estructura y de los elementos primordiales.
Además de lo anterior, es necesario considerar el hecho de que
existe evidencia que apunta a que el Universo se encuentra en un período de
expansión acelerada, resultado contrario a lo que se
espera a partir de la teoría del Big-Bang nucleosíntesis,
en la cual hay una singularidad inicial después de la cual el
Universo se desacelera aunque se encuentra en expansión. Esto
lleva a considerar que hay otro componente adicional a la materia
obscura y bariónica causante de la aceleración. La
llamada ``Constante
Cosmológica'' o energía del
vacío propuesta por Einstein y que es añadida como
un término extra a la teoría, o al tensor de
energía momento y cuya ecuación de estado es negativa,
con lo cual, el efecto gravitatorio contrario al usual es producido. La
forma en que esta componente altera la expansión del Universo
tiene que ver con el hecho de que las respectivas densidades de los
componentes del mismo evolucionan de una manera distinta con el factor
de escala y por consiguiente con el tiempo mismo. La combinación
de todos ellos (radiación, materia bariónica, materia
obscura, constante cosmológica), lleva a que en la época
actual sea esta última la que domina. La naturaleza de esta
constante cosmológica es de naturaleza desconocida, es el
principal componente del Universo actualmente de acuerdo a los datos
que se exponen antes, en menor proporción la materia obscura y
posteriormente la materia bariónica (gas, polvo, estrellas,
etc.).
El escenario presentado de esta manera adquiere muchos elementos que no
están determinados y cuya naturaleza permanece desconocida. En
primer lugar, a nivel galáctico, el principal componente, la
materia obscura, permanece como un "algo" a ser determinado, el
problema no consiste únicamente es sugerir candidatos que puedan
formarla, sino que hay que considerar la forma en que pueden ser
detectados, como pueden surgir de una teoría que los produzca y
que su cantidad y características en número y masa puedan
ser observados. A nivel cosmológico, las consideraciones
también incluyen que la composición de estos candidatos
no afecten las abundancias de los elementos primordiales predichos por
nuclesíntesis, se ajusten a las observaciones de la estructura a
gran y pequeña escala del Universo y el hecho de que el Universo
mismo sigue una época de expansión acelerada requiere la
consideración de otro componente, la constante
cosmológica, incluida para poder obtener aceleración dado
que su ecuación de estado es negativa, y que de acuerdo a
observaciones recientes, el modelo que la propone como el componente
principal del Universo (Constante
cosmológica + materia obscura fría), parece ser el
más favorecido.
De lo anterior se puede considerar al campo de la materia obscura como
un área de muchos retos y posibilidades ya que incluye campos
muy variados de la física actual, desde la cosmología y
observaciones astronómicas, hasta teorías
supersimétricas en física de partículas
elementales que tratan de encontrar un modelo que describa la
naturaleza de este componente del Universo en forma natural. Sin
embargo, es una realidad que el problema esta lejos de ser resuelto en
su totalidad y permanece aún como un campo abierto y apasionante
para su estudio.