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Tras haber analizado rayos espaciales, los científicos estadounidenses han encontrado una prueba convincente de la existencia de la misteriosa materia oscura.
Los nuevos datos, publicados por los investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusets, podrían arrojar luz sobre el origen y las propiedades de la materia oscura.
Casi el 85% del universo estaría compuesto por materia oscura, que no refleja ni emite luz y, por lo tanto, resulta invisible para los telescopios. Durante décadas, los científicos solo han podido observar los efectos de la materia oscura, en concreto las fuerzas gravitacionales que parecen mantener juntos los cúmulos de galaxias.
En 2011 se instaló en la Estación Espacial Internacional el dispositivo Espectrómetro Magnético Alfa o AMS (Alpha Magnetic Spectrometer en inglés), con el objetivo de identificar el origen de la materia oscura.
Según el análisis de los datos recogidos por AMS durante dos años y medio, entre los 41.000 millones de casos de rayos espaciales, se registraron 10 millones de electrones con sus positrones. Dado que los positrones pueden existir solo en un número muy reducido dentro del flujo del rayo espacial, su exceso sugiere que pueden provenir de una fuente distinta y, en concreto, que su origen podría estar vinculado a la materia oscura.
Según Paolo Zuccon, catedrático adjunto de física en el Instituto Tecnológico de Massachusets, los resultados de AMS muestran inequívocamente que en la galaxia existe una nueva fuente de positrones. “Todavía no sabemos si estos positrones provienen de los choques de la materia oscura o de fuentes astrofísicas como los pulsares, pero las mediciones que se llevan a cabo por AMS podrían discriminar entre estas dos hipótesis”, afirma.
Los físicos intentan superar la crisis post-bosón con nuevos experimentos en el Gran Colisionador de Hadrones al doble de potencia.
Hace unos días, un joven ingeniero español entró en una jaula metálica de color verde y se quedó inmóvil mirando a un pequeño rectángulo que reflejaba sus ojos. Cuando la máquina reconoció sus iris una puerta le dejó pasar al otro lado. Después se subió a un ascensor presurizado que le llevó a 100 metros bajo tierra. De su cuello colgaban su tarjeta de identificación y un dosímetro para medir la radiación.
En los pasillos había carteles que avisaban del riesgo de desmayo por la aspiración de gases tóxicos. Al llegar abajo, tras franquear todas las puertas y llegar a una enorme cueva de hormigón con pinta de instalación industrial, preguntó a los periodistas que le acompañaban: “¿Sabéis por qué el LHC está construido a 100 metros bajo tierra?”.
El ingeniero se llama Joan Mauricio Ferré y es uno de los 840 miembros de la colaboración LHCb, uno de los experimentos del Gran Colisionador de Hadrones (LHC). Este acelerador de partículas descubrió el año pasado el bosón de Higgs, un hallazgo esperado desde hacía medio siglo.
Para producir esta partícula el LHC tuvo que generar uno de los vacíos más vacíos del Sistema Solar, una temperatura más fría que el espacio interestelar y poner a punto miles de imanes “que generan la misma energía que un portaaviones en movimiento”, según explicaba hace unos días José Miguel Jiménez, un ingeniero nacido en Granada que ha sido elegido como nuevo jefe del Departamento de Tecnología del laboratorio europeo de física de partículas CERN, con sede en Ginebra.
Pero, volviendo a la pregunta de Mauricio, ¿por qué a 100 metros bajo tierra? “La seguridad es la explicación oficial, en realidad es porque es mucho más barato; imagínate cuántos millones de euros hubiera costado expropiar todas las tierras necesarias para construir un acelerador de partículas de 27 kilómetros de diámetro en la superficie de Suiza y Francia”, dice con sorna.
Mañana, mientras Peter Higgs y François Englert recogen en Estocolmo su Nobel de Física por haber predicho al milímetro el higgs y comen en el banquete de gala, cientos de físicos, ingenieros y operarios en el LHC seguirán preparándose para una batalla mucho más dura que encontrar el bosón.
En estos momentos la gran máquina está parada y en boxes. Jiménez supervisa los trabajos de arreglar 10.000 conexiones entre imanes y otras tareas que permitirán que el mayor acelerador de partículas del mundo funcione al doble de potencia en 2015. Por ahora nadie sabe qué verán los detectores del LHC funcionando a esa energía porque nunca otra máquina la ha alcanzado. La mayor esperanza es lograr un descubrimiento que abra una nueva era en la física.
“Es muy deprimente”, reconoce Luis Álvarez-Gaumé, un veterano físico español en el CERN que no esconde su decepción ante el panorama actual. Según este experto, haber descubierto el higgs es el peor de los escenarios posibles porque deja a la física de partículas enclaustrada en lo ya conocido, sin acceso a nada desconcertante que pueda llevar a un cambio de paradigma equiparable a la relatividad de Einstein. “El higgs es una maldición para nosotros”, clama el teórico.
A pesar de su importancia, el bosón de Higgs es más de lo mismo. La producción de esta partícula en el LHC ha sido la comprobación definitiva del Modelo Estándar, una teoría que se empezó a construir a principios de los 60 y que describe el comportamiento de las partículas elementales que componen el mundo visible. El bosón era la última pieza que faltaba para clavar el modelo y, por ahora, los higgs producidos en el LHC son exactamente iguales a los que Higgs, Englert y otros teóricos predijeron a mediados de los 60.
El bosón y el modelo estándar contribuyen a explicar el 4% del universo, el que compone las estrellas, la Tierra, los átomos que forman nuestros cuerpos, todo lo visible, pero nada del 96% restante. Esa inmensidad desconocida está hecha de materia oscura, que compone el 22% del cosmos, y energía oscura, que forma el 74% restante. De estas dos, a fecha de hoy, no se tiene evidencia directa, aunque la masa de las galaxias y la aceleración constante del universo indican que existen.
De las dos incógnitas, la única al alcance del LHC es la materia oscura y puede decirse que esta fue la verdadera razón por la que se construyó este experimento de 3.000 millones de euros en el que trabajan 7.000 científicos de 60 países, incluidos enemigos como Pakistán e India o Israel y Palestina. La materia oscura “sería un descubrimiento muchísimo más importante que el higgs”, reconoce Antonio Pich, director del Centro Nacional de Física de Partículas , Astropartículas y Nuclear.
Encerrados en un mundo estándar
Ahora la gran pregunta es si el LHC podrá hollar territorio desconocido, hasta la llamada ”nueva física” que permita explicar el misterio de la materia oscura. Esta puede aparecer en el contexto de la supersimetría, una teoría que predice que por cada partícula conocida hay otra “supercompañera”.
La supersimetría supondría, entre otras cosas, la existencia de hasta cinco higgs, dice Pich. Para alcanzarla hay que poder producir partículas con más masa que el Higgs y para ello hay que funcionar a más energía. “Te lo dice la ecuación más famosa de Einstein, E=mc², energía es igual a masa por velocidad de la luz al cuadrado. A más energía, aparecerán partículas con más masa”, explica Pich.
Entre todas las nuevas partículas supersimétricas, la partícula más ligera, en teoría la más alcanzable para el LHC, sería la candidata a formar la materia oscura, un trofeo científico que dejaría pequeño al higgs e inauguraría esa nueva era de la física. Lo malo es que nadie sabe si la supersimetría está a un paso o a energías inalcanzables para el LHC. El miedo a quedarnos encerrados en nuestro 4% del universo es grande.
“Realmente espero que abramos una ventana para saber qué es la energía oscura”, explica Rolf Heuer, director general del CERN. Pero incluso él, acostumbrado a vender los logros del CERN ante gobiernos de medio mundo para justificar su financiación, es cauto. “La supersimetría es muy atractiva pero contiene muchos modelos diferentes y es muy difícil establecer cuál es el verdadero”.
El jefe de todo esto no tiene prisa. Dice que los planes son mantener el LHC en funcionamiento hasta la década de 2030. Para entonces el acelerador puede convertirse en una “fábrica de higgs”. Otra posibilidad es que se construya una megamáquina de 80 kilómetros de diámetro y una potencia que multiplicaría la actual del LHC por más de 10. “Todo depende de los resultados que obtengamos”, dice. Y del presupuesto, claro.
Los científicos del CERN podrían estar más cerca que nunca de localizar a la misteriosa materia oscura, algo que abriría nuevas áreas de investigación, incluyendo la posibilidad de detectar múltiples universos y otras dimensiones.Un equipo internacional del CERN (Organización Europea para la Investigación Nuclear) del centro de investigación en Ginebra anunció el miércoles que detectaron lo que podría ser la primera huella física causada por la materia oscura, la sustancia que en teoría conforma casi la cuarta parte del universo.
El jefe de la investigación, Samuel Ting, afirmó que el espectrómetro magnético Alfa (AMS) ubicado a bordo de la Estación Espacial Internacional capturó un número elevado de partículas de positrones en ciertas partes del espacio, supuestamente creadas por la descomposición de la materia oscura.
“En los próximos meses, el AMS será capaz de revelar concluyentemente si estos positrones son una señal de la materia oscura o si tienen otro origen”, indicó Ting y agregó que las ‘olas’ de estas partículas podrían haber sido causadas por púlsares, estrellas de neutrones que emiten radiación periódica.
Por su parte, la física del CERN Pauline Gagnon, subrayó, citada por Reuters, que la investigación podría permitir “detectar por primera vez realmente pronto la materia oscura”. “Eso sería fantástico, como descubrir un continente nuevo. Abrirá la puerta a un mundo completamente nuevo”, explicó Gagnon.
Ting considera a la materia oscura ”uno de los misterios más importantes de la física de hoy en día”. Esta sustancia mantiene unidas a las galaxias y al resto del universo y goza de una energía seis veces más potente que la de la materia ordinaria.
Los astrofísicos actualmente disponen de sólidos indicios de que está formada por partículas completamente diferentes de los conocidos neutrones, protones y electrones que conforman la materia visible. Estas partículas forman parte del modelo estándar de la física que no contempla las leyes de gravedad y se conocen como WIMP, partículas masivas que interactúan débilmente.
Artículo publicado por Andy Fell el 2 de marzo de 2012 en UC News
Los nuevos resultados del Telescopio Espacial Hubble de la NASA confirman que, al contrario de lo que dicen las predicciones, la materia oscura – la invisible sustancia que forma gran parte de nuestro universo – y las galaxias se separaron en la colisión de dos cúmulos de galaxias a 2400 millones de años luz. Ahora, queda a los astrónomo el intentar explicar el aparentemente extraño comportamiento de la materia oscura en la fusión del cúmulo de galaxias Abell 520.
“Este resultado es un misterio”, dice el astrónomo James Jee, científico del proyecto en el Departamento de Física de la Universidad de California en Davis, que lideró el estudio de Hubble. “La materia oscura no se comporta como se había predicho, y no está nada claro qué está pasando. Las teorías de la formación de galaxias y la materia oscura deben explicar lo que estamos viendo”.
Durante la colisión de los cúmulos de galaxias que formaron Abell 520, la materia oscura se acumuló en un “núcleo oscuro” que contenía muchas menos galaxias de lo que se esperaría si la materia oscura y las galaxias se uniesen entre sí. La mayor parte de las galaxias, aparentemente, se han separado en la colisión.
Las actuales teorías de la materia oscura predicen que las galaxias deberían anclarse a la sustancia invisible, incluso durante el impacto de una colisión. Las observaciones iniciales, realizadas en 2007, eran tan inusuales que los astrónomos las descartaron como el resultado de tener pocos datos.
Un artículo que informa de los resultados del equipo ha sido aceptado para su publicación en la revista Astrophysical Journal y está disponible en línea.
Sobre la materia oscura
La materia oscura se cree que es el “pegamento” gravitatorio que mantiene unidas a las galaxias. La misteriosa e invisible sustancia no está hecha del mismo tipo de material que forma las estrellas, planetas y las personas. Los astrónomos saben poco sobre la materia oscura, aunque cuente con la mayor parte de la masa del universo. Han deducido la existencia de la materia oscura observando su fantasmal influencia gravitatoria sobre la materia común.
Una forma de estudiar la materia oscura es analizar los impactos entre los cúmulos de galaxias, las mayores estructuras del universo. Cuando colisionan cúmulos de galaxias, los astrónomos esperan que éstas acompañen a la materia oscura. Las nubes de gas intergaláctico, sin embargo, impactan unas contras otras, frenando y retrasándose tras el impacto.
Esta teoría estaba apoyada por las observaciones en luz visible y rayos-X de una colosal colisión entre dos cúmulos de galaxias, conocido como el Cúmulo Bala, y de otros cúmulos en colisión, incluyendo uno conocido como “El cúmulo de Perry” que se describió recientemente en el trabajo de otro equipo liderado por astrónomos de la UC en Davis.
Extraño comportamiento en el cúmulo de galaxias
Pero los estudios de Abell 520 han demostrado que el comportamiento de la materia oscura puede que no sea tan simple. Las observaciones originales encontraron que el núcleo del sistema era rico en materia oscura y gas caliente, pero no contenía galaxias luminosas, que normalmente se verían en la misma posición que la materia oscura. El Observatorio de rayos-X Chandra de la NASA detectó el gas caliente. Los astrónomos usaron los telescopios de Canadá-Francia-Hawái y Subaru, en la cima de Mauna Kea, para deducir la posición de la materia oscura midiendo cómo la misteriosa sustancia curvaba la luz de las galaxias de fondo más alejadas, un efecto conocido como lente gravitatoria. Los astrónomos usaron entonces la Cámara Planetaria de Gran Angular 2 (Wide Field Planetary Camera 2) de Hubble para ayudarlos con su problema cósmico. En lugar de esto, para su disgusto, las observaciones de Hubble ayudaron a confirmar sus primeros hallazgos. Los astrónomos usaron el Hubble para cartografiar la materia oscura del cúmulo a través de la técnica de la lente gravitatoria.
“Las observaciones como las de Abell 520 son una cura de humildad en el sentido de que, a pesar de todos los saltos en nuestro conocimiento, una y otra vez nos paran en seco”, explica Arif Babul de la Universidad de Victoria en British Columbia, teórico sénior del equipo. ¿Es Abell 520 una rareza o es hay errores en la descripción predominante de la materia oscura? Jee cree que aún es demasiado pronto para decirlo.
“Conocemos unos seis ejemplos de colisiones de cúmulos de galaxias a alta velocidad donde se ha cartografiado la materia oscura”, dice Jee. “Pero el Cúmulo Bala y Abell 520 son los dos que muestran la prueba más clara de fusiones recientes, y son inconsistentes entre sí. No hay ninguna teoría que explique los distintos comportamientos de la materia oscura en esas dos colisiones. Necesitamos más ejemplos”.
Posibles explicaciones
El equipo ha propuesto media docena de explicaciones para los hallazgos, pero cada una es inquietante para los astrónomos. “Es elegir un veneno u otro”, dice el miembro del equipo Andisheh Mahdavi de la Universidad Estatal de San Francisco en California, que lideró las observaciones originales de Abell 520 en 2007. Una posible explicación para la discrepancia es que Abell 520 sea una interacción más compleja que el encuentro del Cúmulo Bala. Abell 520 puede haberse formado a partir de una colisión entre tres cúmulos de galaxias, en lugar de simplemente la colisión de dos sistemas, como en el caso del Cúmulo Bala.
Otro escenario es que parte de la materia oscura puede ser lo que los astrónomos llaman “pegajosa”. Como dos bolas de nieve que impactan entre sí, la materia normal se fija durante la colisión y frena. Pero se cree que las zonas de materia oscura pasan unas a través de otras durante un encuentro, sin frenarse. Este escenario propone que parte de la materia oscura interactúa con ella misma y permanece detrás cuando colisionan los cúmulos de galaxias.
Una tercera posibilidad es que el núcleo contuviese muchas galaxias, pero fueran demasiado tenues para verlas, incluso con Hubble. Estas galaxias habrían formado muchas menos estrellas que otras galaxias normales. Armado con los datos de Hubble, el grupo espera crear una simulación por ordenador para intentar reconstruir la colisión, esperando que arroje algunas respuestas sobre el extraño comportamiento de la materia oscura.
