Oscura o desconocida?

Esta entrada la dedico a la materia oscura, como respuesta a la petición de mi amigo Fin. Animaros y hacer como él si queréis que toque algún tema en particular.

Empezaré por explicar que no es que en Astrofísica/Cosmología pongamos el adjetivo de "oscuro" a todo lo que no entendemos: me refiero a la materia oscura y la energía "oscura". Son dos temas bien distintos, incluso desde el punto de vista filosófico! Por un lado la materia oscura, como os describiré a continuación, es un tipo de materia de la que conocemos muchas de sus características o propiedades, pero que todavía no hemos sido capaces de observar que tipo de partícula la compone. Sin embargo, la energía "oscura", llamada así por similitud con la anterior, viene interpretada como una hipotética energía que esta en todo el Universo y produce que éste se expanda cada vez mas rápido. En realidad, muchos creemos que esta energía "oscura" es solo un artefacto matemático que nos ayuda a explicar lo que observamos, por ejemplo la CMB, pero que en realidad nos está diciendo que hay algo que todavía no hemos entendido bien en el funcionamiento del cosmos...

Pero dejemos la filosofía de la ciencia para otro momento y centrémonos en la materia oscura. Ya en los años 30, astrónomos como Jan Oort o Fritz Zwitchy, se dieron cuenta que para explicar sus observaciones necesitaban una cantidad de masa mayor de la que podían observar, de ahí que empezase a llamarse "oscura". En Astrofísica solo podemos observar aquellos objetos que emiten o reflejan luz ( fotones). Así que objetos sin luz propia, como por ejemplo los planetas, se vuelven casi invisibles para nosotros (echarle un vistazo a la entrada anterior para entender cómo somos capaces de detectar planetas fuera de nuestro sistema solar).

Pero os estaréis preguntando que cómo entonces nos hemos dado cuenta de su existencia: como el resto de la materia ordinaria (es decir, la que conocemos bien y de la que estamos hechos nosotros, que se llama bariónica), la materia oscura produce un efecto gravitatorio en la materia luminosa que la rodea. Nosotros lo que notamos es que la materia luminosa en ciertos casos no se comporta como debería. 

A continuación os comento los casos principales que nos han convencido de la existencia de esta materia oscura:

• La materia oscura prácticamente no interacciona ni consigo misma ni con la materia ordinaria (esto lo sabemos porque si no emitiría fotones y podríamos observarla). Por esta razón, no forma estructuras como los brazos espirales de nuestra propia Galaxia y adopta formas mucho mas sencillas que tienden a rodear la materia que si que vemos nosotros. En general, se puede decir que cada galaxia que vemos esta dentro de un halo de materia oscura. Esto lo hemos entendido al observar el movimiento de grupos de estrellas (cúmulos globulares, etc) que no están en el disco de nuestra Galaxia y que se mueven en círculos y mas rápido de lo que deberían si solo existiese la materia luminosa que forma el disco.

Imagen descriptiva de una típica galaxia espiral: en el centro la galaxia espiral formada por la materia luminosa que podemos ver rodeada por un halo de materia oscura. Los puntos blancos en el halo indicarían estrellas o grupos de estrellas que se moverían libremente por el halo.

• Por otro lado, cuando observamos girar otras galaxias símiles a la nuestra, vemos que a medida que nos alejamos del centro, la velocidad con la que giran no disminuye como nos esperaríamos si no que se mantiene hasta distancias a veces mucho mas largas de lo que vemos a primera vista.  De nuevo, la explicación mas sencilla es que hay mas materia girando de la que conseguimos observar.

Curvas de rotación de una galaxia típica. En azul se muestra la curva que se espera si toda la masa estuviera concentrada en el centro (caso A), como es el caso de la materia luminosa. En rojo (caso B), la curva que en cambio se observa y que indica la presencia de mayor cantidad de materia lejos del centro.

• Por último, sin meterme a dar muchas explicaciones, comentaros que los fotones también sienten la atracción gravitatoria y modifican su trayectoria si pasan lo suficientemente cerca de una acumulación de masa. Este fenómeno se llama efecto de lente gravitacional. Pues bien, este efecto nos permite determinar la masa total y no sólo la luminosa del objeto en cuestión, descubriendo en general que la materia luminosa es sólo una pequeña porción de la total.

Cúmulo Bala (Bullet cluster) observado por el telescopio Hubble.  Se piensa que es  el residuo de la colisión de dos cúmulos de galaxias donde la materia ordinaria (observada en rayos X, en rojo) se ha quedado concentrada en la zona de choque, mientras que la materia oscura ha continuado su camino casi sin interaccionar (determinada a través del efecto gravitacional producido en las galaxias que estaban detrás; en azul)

Pero me diréis: donde esta el problema, lo habéis visto no? En realidad hemos visto sólo su efecto, pero todavía desconocemos su causa! Todavía no hemos conseguido determinar (observar en un experimento) qué tipo de partícula la compone. Hasta que esto no suceda, también en este caso, el adjetivo de "oscura" seguirá sonando a "desconocido".

A día de hoy existen varios experimentos en el mundo (enterrados en minas, o bajo el hielo de la Antártida o bajo el mar) que intentan detectar este tipo de materia a través de su interacción con las partículas que ya conocemos. Sin embargo, como os decía antes, esta materia es muy tímida y le cuesta mucho relacionarse, lo que se traduce en que sea muy difícil poder pillarla justo en ese momento!

Por ahora, estos experimentos sólo han podido descartar algunas hipótesis teóricas sobre la naturaleza de estas partículas. Pero la comunidad científica es optimista y, si los recortes no lo impiden, se espera poder dar una respuesta final al problema de la naturaleza de la materia oscura en los próximos años.

No quiero terminar sin comentar que también existen teorías alternativas para explicar las observaciones que os comentaba antes, pero que hasta ahora no han conseguido convencer a la comunidad científica sobre su validez. Simplificando, estas teorías se basan en la idea de que la gravedad se comportaría de forma distinta a como conocemos cuando las distancias son demasiado grandes (escalas galácticas).

Espero vuestros comentarios para saber si he conseguido aclararos un poco este tema o si, por el contrario, queréis detalles más preciso en una u otra dirección.

Hasta el próximo tortu!

Buscando una nueva casa...

Se que había prometido terminar la explicación sobre el CMB (entrada I y entrada II), pero me ha apetecido hacer una pausa y cambiar un poco de tema. Así también os demuestro el tipo de blog que os podéis esperar en el futuro...

Hoy os hablaré de otro satélite que está haciendo descubrimientos increíbles y muy importantes para la humanidad, no sólo desde el ámbito científicos sino también filosófico. Me estoy refiriendo a la misión Kepler de la NASA.

Imagen artística del satélite Kepler @NASA

Como es obvio, este satélite recibe su nombre del astrónomo Johannes Kepler. Fue lanzado en Marzo del 2009 desde Cabo Cañaveral y se espera que pueda obtener datos hasta el 2016. El satélite tiene una órbita heliocéntrica (es decir que gira alrededor del Sol como la Tierra) y va detrás de la Tierra aunque un poco mas despacito (tarda 375 días en dar una vuelta completa alrededor del Sol en comparación con los 365 nuestros).

Os estaréis preguntando para que sirve el armatoste este, no? Pues bien, su objetivo es buscarnos una nueva casa! Así como suena. Es una misión exclusivamente pensada para buscar planetas alrededor de otras estrellas. Hace menos de 10 años, los únicos planetas que conocíamos eran los de nuestro propio sistema solar (los que todos hemos estudiado en la escuela: Mercurio, Venus, Tierra, ... Parad cuando queráis, aunque si ha mi me sigue gustando terminar con Plutón por la sonoridad que tiene! jejeje). Pero poco a poco hemos ido descubriendo que nuestro sistema solar no es el único en tener planetas que giran alrededor de una estrella. A este respecto, la misión Kepler ha revolucionado nuestro conocimiento, con resultados inesperados (típicos de películas de ciencia ficción!), que ya os resumo mas bajo...

Es que antes de hablaros de los resultados, me gustaría que entendieseis cómo hacemos para detectar estos nuevos planetas. La órbita de Kepler esta pensada para poder estar siempre apuntando hacia la misma posición del cielo (como podéis ver en la imagen siguiente, entre las constelaciones del cisne y la lira), sin que la luz del Sol, la Tierra y la Luna le molesten. 

Campo de visión de Kepler

Y en realidad, lo único que hace es precisamente eso: observar continuamente las estrellas de esa zona esperando que pase algo en alguna de ellas. Y que tiene que pasar? Pues que el brillo de alguna de esas estrellas se modifique ligeramente (a veces con valores inferiores al 0.1%!) porque algo (nuestros buscados planetas) cubran parte de la superficie de la estrella. Vamos son como mini-eclipses, aunque la palabra técnica es "tránsito" porque debido a la distancia solo cubre una parte muy pequeña de la estrella.

Los datos de observación del brillo de una estrella se llaman "curvas de luz" y como os muestra la imagen siguiente, cada vez que algo pasa por delante de una estrella, bloquea parte de su luz y nosotros notamos una bajada ligera en su brillo (por eso necesitamos un instrumento de mucha precisión, porque la bajada es tan pequeña que no nos daríamos ni cuenta!). La confirmación de que se trata de un planeta (también puede ser otra estrella compañera) y no otra cosa fortuita, nos la da el hecho de que estas bajadas son periódicas y dependen de a que distancia se encuentra el planeta de su estrella. Por ejemplo, si pudiésemos observar el sistema solar desde fuera, la Tierra pasaría delante del Sol una vez cada año.

Tres zonas características de una curva de luz.

Como os muestra la siguiente figura, la forma de la curva de luz en cada tránsito nos aporta mucha información sobre el tamaño del planeta, la inclinación de su órbita, su velocidad, etc pero también la temperatura en el borde de la estrella, etc

La forma de la curva de luz depende de las características del planeta y su órbita.

Usando esta técnica, el satélite Kepler ha confirmado 132 planetas y tiene otros 2740 candidatos!! Estos números ya os tendrían que dejar de piedra, pero si recordáis que estamos mirando una zona muy pequeña del cielo, y extrapolamos los resultados a toda nuestra Galaxia tendríamos:

• En promedio, cada estrella tiene mas de 1.6 planetas orbitando a su alrededor.
• Esto implica que en nuestra Galaxia podemos esperarnos cerca de 160000000000 planetas.
• Por ahora el porcentaje de planetas del tamaño de la Tierra y en la llamada "zona habitable" es de >1.4%, así que nos esperamos más de 2000000000 de planetas habitables!!

Comparación con nuestro sistema solar de uno de los sistemas encontrado por Kepler (el número 62 con 5 planetas), donde se muestra en verde la zona habitable (zona alrededor de cada estrella donde la temperatura y presión de los planetas permite la existencia de agua en estado líquido)

Así que, como veis, la misión Kepler nos ha vuelto a bajar los humos a los humanos demostrando que nuestro sistema solar no tiene nada de especial y, por tanto, que tenemos que dejar de una vez de considerarnos el ombligo del universo! Pero también podemos estar contentos de que alguien se está dedicando a buscarnos una nueva casa si algún día la necesitamos...

Este es uno de los muchos ejemplos que me gustará mostraros y que sirven a responder una típica pregunta que recibimos los astrofísicos: y tu trabajo para que sirve? 
Daros cuenta que muchas veces nuestro trabajo no repercute directamente en el presente o la vida cotidiana, sino que estamos trabajando para el futuro de la humanidad. Esperemos que no se cumpla, pero probablemente dentro de 100 años haya unos pocos supervivientes que agradezcan este tipo de resultados cuando tengan que abandonar una inhabitable tierra en dirección a algunos de los planetas mas cercanos...

Y para terminar os dejo un link a una pagina que esta muy bien. Se necesita conocer un poco de inglés, pero os permite realizar todo el proceso para detectar vuestro propio planeta!! Es bastante educativo, pero OJO! sólo para los valientes: pinchar aquí.

Hasta el próximo tortu!

La Radiación Cósmica de Fondo (II)

En la última entrada os intenté explicar qué era la Radiación Cósmica de Fondo y os prometí que en ésta os hablaría de por qué merece la pena estudiarla.

Una de las posibles formas de entenderlo es considerar a la CMB como si fuera la huella digital del Universo.

WMAP @NASA

De la misma manera que nuestras huellas digitales son únicas y por eso se usan para identificarnos, la CMB prácticamente identifica el Universo en el que vivimos. Eso es lo que quiere ilustrar la figura anterior: distintos Universos (con más/menos masa, que se expanden más rápidamente o más lentamente, donde las galaxias no se crearon, o donde se destruyeron justo despues de crearse, etc ) producen una radiación de fondo con características ligeramente distintas.

La ecuaciones que describen el Universo cuando era tan joven (la época cuando se formó la CMB) son bastante sencillas y eso nos permite poder unir cada posible CMB con su Universo. Por lo tanto, al medir la CMB estamos directamente descubriendo en que Universo nos ha tocado vivir!

Un ejemplo muy visual que sirve para ilustrar lo que os acabo de contar nos lo ofrece el tamaño característico de las "manchitas" de la CMB (llamadas anisotropías). Si os fijáis bien en cualquier imagen sobre la CMB, os daréis cuenta que las manchas rojas y azules tienen casi todas el mismo tamaño.
(...por cierto, esos colores se los damos nosotros para mostrar que son manchas mas frías o más calientes, no es que la CMB sea colorada! Otro día os hablaré sobre los colores en la astrofísica...)

WMAP @NASA

Pues bien, este tamaño depende directamente de la geometría del universo, es decir, de su curvatura. Nosotros ahora sabemos que nuestro Universo es plano ("FLAT" en la figura).  Si las manchas de la CMB fuesen mas pequeñas significaría que el Universo tendría una curvatura que se llama de silla de montar ("OPEN") y si fuesen mas grandes entonces curvatura esférica ("CLOSED").

Para que nos os quedéis con la duda, os confirmo que no es que el Universo tenga esas formas. Lo único que significa la curvatura es que si lanzamos dos rayos de luz paralelos nunca se cruzaran en el caso "FLAT", como si que sucederá en el caso "CLOSED". Y en el caso "OPEN" se separaran!

Como podéis ver, parece casi un juego de niños que con solo medir el tamaño de unas manchitas podamos descubrir los secretos del Universo! Pero ya os contaré la próxima vez que observar esas manchitas no es tan fácil como pueda parecer...

Hasta el proximo tortu!