El Lado Oscuro de la Fuerza

Al contrario de lo que cabría esperar, cuanto más sabemos sobre el cosmos más incógnitas surgen. Nuestro afán por saber de dónde venimos y hacia dónde nos encaminamos nos revelan cada día hechos más asombrosos. Hasta donde hemos podido observar suponemos la existencia de un principio, el Big Bang, que bien podría ser una ilusión fruto de nuestra lógica humana. El Universo crece, se expande ante nuestros ojos y recorriendo el camino contrario, debería juntarse y contraerse hasta formar un punto minúsculo. ¿Un razonamiento incuestionable? Puede que sí, para unos diminutos seres inmersos en la vorágine del tiempo cósmico.

Pero este Universo no tiene nada de simple y ahora resulta que no solo se expande ante nuestros ojos, sino que lo hace aceleradamente. ¿Y qué significa esto? Pues que la velocidad de expansión no es constante, no es uniforme y sosegada como cabría esperar de un Universo que aparentemente está en calma. Muy al contrario, cuanto más se expande, mayor velocidad de expansión adquiere. Está acelerando cada vez más. Cada minuto que pasa las Galaxias se alejan unas de otras a mayor velocidad, superando a la gravedad que las mantiene en cúmulos. A esa fuerza misteriosa que ejerce semejante empuje la hemos llamado Energía Oscura. Y es el quebradero de cabeza de la comunidad astrofísica desde que en 1998 el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y el High-z Supernova Search Team, demostraron que así era partiendo de la observación de las lejanas Supernovas de tipo 1A.

Desde entonces numerosos estudios de todo tipo no han hecho más que confirmar este hecho y mal que nos pese, el resultado final que atisbamos a ver para nuestro Universo es su muerte térmica algún día. No hay suficiente energía en ninguna de sus formas que frene esa aceleración, así que seguirá dispersándose y enfriándose, y las estrellas se irán apagando lentamente hasta que no quede rastro de luz y calor. A menos que suceda algo que aún no podemos predecir.

Este es el mapa hipotético más reciente que se tiene de la distribución de la Materia Oscura alrededor de las Galaxias.

La cuestión ahora es entender qué está sucediendo. No se debe confundir la Materia Oscura con la Energía Oscura. La Materia Oscura es un tipo de materia exótica muy abundante, localizada principalmente alrededor de las Galaxias, mientras que la Energía Oscura es, o parece ser, un campo que se extiende entre Galaxias en la inmensidad del espacio vacío. ¿Una fuerza de repulsión? ¿La antítesis de la gravedad?

Constante Cosmológica de Einstein

Albert Einstein ya se topó con este problema. El modelo de Universo gravitacional que se tenía en su época lo situaba como un Universo estático, pero sus ecuaciones gravitacionales originales predecían que un Universo estático tendería inevitablemente a contraerse sobre sí mismo. Así que incluyó una Constante Cosmológica, una fuerza de repulsión que evitaba el colapso. Poco después, en 1928, Edwin Hubble sugirió que el Universo se encontraba en expansión y al no ser estático, la Constante Cosmológica de Einstein se desechó y fue considerada por el propio Einstein como su mayor error. Sin embargo, el descubrimiento de la aceleración cósmica en los 90 ha renovado el interés en la Constante Cosmológica y ya no parece un error sino un mal planteamiento.

La explicación más simple para la Constante Cosmológica es que simplemente es el "coste de tener espacio": es decir, un volumen de espacio tiene alguna energía fundamental intrínseca algunas veces llamada Lambda (de ahí el modelo Lambda-CDM) usado hoy. Algunas veces es llamada energía del vacío porque su densidad de energía es la misma que la del vacío. De hecho, muchas teorías de la física de partículas predicen fluctuaciones del vacío que darían al vacío exactamente este tipo de energía. Es lo que se supone que ocurrió con la inflación cósmica en los orígenes del Universo.

Los cosmólogos estiman que la Constante Cosmológica es del orden de 10−29g/cm³ o unos 10−120 en unidades de Planck. Por lo que ya está dotada de una propiedad.

Quintaesencia Universal

Otra posible explicación vendría dada por la Quintaesencia. En la Edad Media, la quintaesencia (en latín quinta essentia) era un elemento hipotético, también denominado éter. Se le consideraba un hipotético quinto elemento o "quinta esencia" de la naturaleza, junto a los cuatro elementos clásicos: tierra, agua, fuego y aire. En la cosmología actual, quintaesencia es una forma hipotética de energía que se postula para explicar las observaciones del universo en expansión acelerada. Pero no se ha encontrado todavía ninguna prueba de la quintaesencia, aunque tampoco ha sido descartada. Generalmente predice una aceleración ligeramente más lenta de la expansión del Universo que postula la Constante Cosmológica.

Distribución actual del Universo Conocido: En gris oscuro la Energía oscura con un 74%. En gris claro la Materia Oscura con un 22%. En naranja la energía en forma de gas con un 3,6%. Y en azul celeste la materia ordinaria como estrellas y planetas con un 0,4%.

Un enigma por resolver

La consecuencia más directa de la existencia de la Energía Oscura y la aceleración del Universo es que éste es más antiguo de lo que se creía. Si se calcula la edad del Universo con base en los datos actuales de la constante de Hubble (71±4 (km/s)/Mp), se obtiene una edad de 10.000 millones de años; menor que la edad de las estrellas más viejas que es posible observar en los cúmulos globulares, lo que crea una paradoja insalvable. Los cosmólogos estiman que la aceleración empezó hace unos 9.000 millones de años. Antes de eso, se pensaba que la expansión estaba ralentizándose, debido a la influencia atractiva de la materia oscura.

La densidad de Materia Oscura en un Universo en expansión desaparece más rápidamente que la Energía Oscura (cada vez es menor en comparación con el espacio que la rodea ya que éste crece) y finalmente domina la Energía Oscura. Específicamente, cuando el volumen del Universo se dobla, la densidad de Materia Oscura se divide a la mitad pero la densidad de Energía Oscura casi permanece sin cambios (Exactamente es constante en el caso de una Constante Cosmológica). Así que teniendo en cuenta la Energía Oscura, la edad del Universo es de unos 13.700 millones de años (de acuerdo con los datos del satélite WMAP en 2003), lo que resuelve la paradoja de la edad de las estrellas más antiguas.

En definitiva, parece ser que más que una fuerza, lo que ocurre es que el espacio crece entre Galaxias separándolas cada vez más y más rápidamente. ¿Y cómo es posible que crezca? ¿De dónde sale el espacio nuevo? ¿Por qué la Energía que contiene ese espacio siempre es la misma aunque cambie de forma? Hoy por hoy es el mayor reto al que nos enfrentamos a largo plazo. ¿Es tal vez el Lado Oscuro de la Fuerza?

Mi Reino por un Neutrino

Pocas veces la NASA hace una crítica sobre una película de Hollywood, pero hace poco no pudo resistir la tentación de calificar a “2012” como la peor película de “ciencia” ficción del pasado año. Y casi podríamos añadir, de la historia. La película bien podía haberse llamado “El ataque de los Neutrinos” o “Los Neutrinos invasores del espacio exterior” ya que son ellos, los Neutrinos, los que casi acaban con la vida en la Tierra. Pero, ¿Puede un Neutrino mover las placas tectónicas terrestres?

La respuesta es que no. Un Neutrino es una partícula subatómica sin carga, tan pequeña, que su tamaño es unas 10.000 veces más pequeño que el de un electrón. Tanto es así, que es capaz de atravesar la Tierra limpiamente, sin que apenas un puñado de los miles de millones de Neutrinos que la bombardean, llegue siquiera a rozarla, lo cual hace muy difícil que puedan mover nada y menos las placas tectónicas. Para que nos hagamos una idea, si pusiéramos una barra de acero macizo de un metro de espesor desde aquí hasta Plutón, un Neutrino podría atravesarla y salir por el otro extremo, sin llegar a interactuar con ninguna otra partícula de las que la componen.

¿Y de dónde salen los Neutrinos?

La mayor fuente de Neutrinos de la Tierra proviene del Sol, de las reacciones termonucleares de su núcleo. Y como los Neutrinos no interaccionan fácilmente con la materia, escapan libremente del núcleo solar atravesándolo todo, las capas externas del Sol, la Tierra, a nosotros y cuanto nos rodea. De hecho, un ser humano es atravesado por miles de millones de estas diminutas partículas por segundo sin que se entere. Convivimos con ellos de forma natural.

Otras fuentes de Neutrinos provienen de las supernovas, de hecho en las de tipo II, son los Neutrinos los responsables de que la estrella expulse buena parte de su masa al espacio. Así que la emisión de energía de una supernova en forma de Neutrinos, es enorme.

También se cree que existe un fondo de Neutrinos de baja energía en la radiación de fondo cósmico, muy parecida a la radiación de microondas proveniente del Big Bang. Hasta hace poco se pensaba que los Neutrinos no tenían masa, pero desde que se descubrió que sí la tienen, aunque ínfima, se empezó a sospechar que fueran los posibles responsables de la Materia Oscura.

Pero existe un inconveniente, su masa es tan pequeña que los Neutrinos se mueven a velocidades cercanas a la luz, lo que los convierte en “Materia Oscura Caliente”. Al encontrarse en rápido movimiento, los Neutrinos habrían tendido a expandirse uniformemente en el Universo, antes que la expansión cosmológica los enfriara lo suficiente como para concentrarse en cúmulos. Esto causaría que la parte de Materia Oscura hecha de Neutrinos se expandiera, siendo incapaz de formar las grandes estructuras galácticas que vemos.

Además, estas mismas galaxias y grupos de galaxias parecen estar rodeadas de Materia Oscura que no es lo suficientemente rápida para escapar de ellas. Presumiblemente, esta materia proveyó el núcleo gravitacional para la formación de las galaxias. Esto implica que los Neutrinos constituyen sólo una pequeña parte de la cantidad total de Materia Oscura.

Y por último tenemos otras fuentes de Neutrinos en la propia Tierra que proviene de las centrales nucleares y los colisionadores de partículas, pero es tremendamente pequeña en comparación con las anteriores.

¿Y cómo podemos detectar estas partículas tan livianas y veloces?

Pues tenemos que hacerlo bajo tierra. En la superficie terrestre abundan todo tipo de partículas y los Neutrinos pasan totalmente desapercibidos entre esa vorágine, pero las pocas partículas que consiguen atravesar la corteza terrestre, son los Neutrinos. Así que la corteza terrestre hace de cedazo o criba, y los Neutrinos quedan separados del resto de partículas penetrando en ella. Cuanto más profundo busquemos, más posibilidades tenemos de toparnos con un Neutrino despistado. De hecho, el primer intento de detector de Neutrinos se llevó a cabo en una mina de oro de Dakota del Sur a mucha profundidad. En 1967 Raymond Davis observó que el cloro-37 era capaz de absorber un neutrino para convertirse en argón-37, pero los resultados no fueron los esperados.

El siguiente paso fue crear una nueva línea de detectores que se basaban en la colisión de neutrinos con electrones contenidos en un medio acuoso. Estos detectores se basan en el hecho de que el neutrino al impactar contra un electrón le transmite parte de su momento confiriéndole a éste una cierta velocidad, en ese mismo medio acuoso. Es en ese momento cuando se produce una emisión de luz característica, conocida como radiación de Cherenkov, que es captada por los fotomultiplicadores que recubren las paredes del recipiente.

En vez de agua convencional se usa agua pesada porque ésta tiene más probabilidades de capturar neutrinos. Éste es el caso del más famoso detector de neutrinos. El Super-Kamiokande, que recibe su nombre de la mina japonesa de Kamioka. Lo primero que se hizo con este enorme recipiente, de 40 metros de diámetro por 40 de altura dotado de unos 11.000 tubos fotomultiplicadores, fue detectar los Neutrinos procedentes de la supernova 1987A.

Su mayor éxito ha sido la reciente medición de la masa del Neutrino. Fue con el experimento de la supernova con el que el laboratorio se hizo más famoso al poder determinar que la masa del Neutrino no era nula llegando a calcular su valor a partir de la medición del retraso con que llegaron los Neutrinos procedentes de la explosión. Si estos hubiesen carecido de masa hubiesen llegado al mismo tiempo que los fotones (la luz de la supernova).

Así pues, ¿Cómo podría una partícula que lo atraviesa todo limpiamente, tan pequeña y escurridiza que es prácticamente imposible de detectar, destruir la vida en la Tierra? Es todo un misterio que solo los guionistas hollywoodienses pueden desvelar. Esperemos que la próxima película de catástrofes terrestres que tanto están de moda, tenga mejores argumentos que efectos especiales.