Patricia Burchat arroja luz sobre la materia oscura

Como física de partículas, estudio las partículas elementales y cómo interactúan éstas a nivel fundamental. Durante la mayor parte de mi carrera como investigadora, he utilizado aceleradores como el acelerador de electrones de la Universidad de Stanford, aquí al lado, para estudiar las cosas a pequeñísima escala. Pero, recientemente, he vuelto mi atención hacia el universo a gran escala. Debido a que, como os voy a explicar, las cuestiones a pequeña y a gran escala están en realidad muy conectadas. Así que os voy a hablar sobre nuestra visión actual del universo, de qué está hecho y cuales son las grandes preguntas de la física, o por lo menos, algunas de las grandes preguntas.

Así pues recientemente nos hemos dado cuenta de que la materia ordinaria del universo, y por materia ordinaria me refiero a ti, ¿vale?, a mí, a los planetas, las estrellas, las galaxias... la materia ordinaria representa sólo un pequeño porcentaje del contenido del universo. Casi un cuarto, o aproximadamente un cuarto de la materia del universo, es materia invisible. Con invisible quiero decir que no absorbe radiación en el espectro electromagnético. No emite en el espectro electromagnético. No refleja. No interactúa con el espectro electromagnético, que es lo que usamos para detectar cosas. No interactúa en absoluto, ¿cómo sabemos entonces que está ahí? Sabemos que está ahí debido a sus efectos gravitatorios. De hecho, esta materia oscura domina los efectos gravitacionales en el universo a gran escala, y os voy a hablar sobre las pruebas que hay de ello.

¿Y el resto del pastel? El resto es algo muy misterioso llamado energía oscura. Luego hablamos más de ella. De momento, veamos las pruebas de la materia oscura. En estas galaxias, especialmente en una galaxia espiral como esta casi toda la masa estelar se concentra en el centro de la galaxia. Esta enorme masa de estrellas mantiene a las estrellas de la galaxia en orbitas circulares. Por tanto tenemos estrellas dando vueltas en círculos así. Como podéis imaginar, incluso sin saber física -esto parece intuitivo- las estrellas más cercanas a la masa central rotarán más rápido que aquellas que se encuentran más lejos.

Así que los que uno esperaría es que si mides la velocidad orbital de las estrellas, ésta debería ser menor en los bordes que en el interior. En otras palabras, si medimos la velocidad como una función de la distancia - esta es la única gráfica que voy a mostrar, ¿OK? - esperaríamos que decreciera según aumenta la distancia desde el centro de la galaxia. Pero al hacer estas mediciones, lo que encontramos es que la velocidad es básicamente constante en función de la distancia. Si es constante, eso significa que las estrellas de aquí afuera están notando el efecto gravitatorio de materia que nosotros no vemos. De hecho, esta y cualquier otra galaxia parece estar inmersa en una nube de materia oscura invisible. Y esta nube de materia es mucho mas esférica que la propia galaxia y se extiende hasta mucho más lejos que la galaxia. Así que vemos la galaxia y nos fijamos en ella, pero en realidad es la nube de materia oscura la que domina la estructura y la dinámica de esta galaxia.

Las propias galaxias no están repartidas aleatoriamente por el espacio, sino que tienden a acumularse. Y este es el ejemplo de un cúmulo muy conocido: El cúmulo de Coma. Y en este cúmulo hay miles de galaxias. Son estas cosas blancas, borrosas y elípticas. Estos cúmulos galácticos parecerán idénticos si comparamos una foto de ahora con una de hace diez años. Pero en realidad esas galaxias se están moviendo extremadamente rápido. Se están moviendo alrededor de este pozo gravitatorio del cúmulo. Así que todas estas galaxias se mueven. Podemos medir el movimiento de estas galaxias, sus velocidades orbitales y deducir cuánta masa tiene el cúmulo.

Y de nuevo, lo que encontramos es que hay mucha más masa de la que pueden sumar todas las galaxias que vemos. O si miramos en otras partes del espectro electromagnético, vemos que también hay mucho gas en este cúmulo. Pero tampoco es suficiente para justificar tanta masa. De hecho parece haber aquí unas diez veces más masa en forma de materia invisible, u oscura, de la que hay de materia ordinaria. Sería bueno que pudiéramos ver esta materia oscura más directamente. Coloco este gran círculo azul aquí, para recordaros de que está ahí. ¿Podemos verlo de manera más visual? Sí, podemos.

Así que dejadme mostraros como podemos hacerlo. Aquí hay un observador: puede ser un ojo, puede ser un telescopio. Y supongamos que hay una galaxia por ahí en el universo. ¿Cómo vemos esa galaxia? Un rayo de luz parte de la galaxia y viaja por el universo quizá durante miles de millones de años hasta que llega al telescopio o a tu ojo. Pero, ¿cómo deducimos donde se encuentra la galaxia? Bien, lo deducimos por la dirección que lleva el rayo al entrar en nuestro ojo, ¿no?. Decimos: el rayo de luz vino de esta dirección así que la galaxia debe estar ahí. Ahora, supón que coloco en el medio un cúmulo de galaxias - y no os olvidéis de la materia oscura, ¿eh? - Si consideramos ahora otro rayo de luz distinto, uno que vaya por aquí, necesitamos entonces tomar en cuenta lo que predijo Einstein cuando desarrollo la relatividad general. que fue que el campo gravitatorio, debido a la masa, desviará no sólo la trayectoria de las partículas, sino también desviara a la propia luz.

Así que este rayo de luz no continua en línea recta sino que se dobla y puede acabar dirigiéndose a nuestro ojo. ¿Dónde verá este observador la galaxia? Podéis responder. Arriba, eso es. Extrapolamos hacia atrás y decimos que la galaxia esta aquí arriba. ¿Hay algún otro rayo de luz que desde esta galaxia pueda llegar hasta el ojo del observador? Sí, genial. Veo gente que dice que por abajo. Así que un rayo de luz podría ir hacia abajo, doblarse hacia arriba hasta el ojo del observador y el observador ve un rayo de luz aquí.

Ahora tengamos en cuenta que vivimos en un universo tridimensional, en un espacio tridimensional ¿Hay más rayos de luz que puedan acabar en el ojo? ¡Sí! Los rayos acaban repartidos en un cono, eso es. Así que hay un montón de rayos de luz -formando un cono- que se desviarán por efecto del cúmulo y llegarán al ojo del observador. Si hay un cono de luz llegando a mi ojo, ¿qué es lo que veo? Un círculo, un anillo. Se llama anillo de Einstein. Einstein predijo esto, ¿bien? Eso sí, sólo será un anillo perfecto si la fuente, el objeto que causa el desvío y el ojo, en este caso, están en perfecta línea recta. si están ligeramente sesgados, veremos una imagen diferente.

Esta noche podéis hacer un experimento en la recepción para adivinar a qué se parecerá esa imagen. Porque resulta que hay un tipo de lente que podemos usar que tiene la forma apropiada para producir este efecto. Llamamos a esto efecto de lente gravitacional. Y este es vuestro instrumento, ¿OK? (Risas) Pero ignorad la parte superior. Es en la base en lo que quiero que os fijéis. Así que, en casa, cuando se nos rompa una copa de vino, guardamos la base, nos vamos al taller la pulimos y ya tenemos una lente gravitacional. Tiene la forma correcta para producir el efecto. Lo siguiente que necesitáis para vuestro experimento es una servilleta Yo he cogido un trozo de papel cuadriculado; soy física. (Risas) Bien, una servilleta. Dibuja una pequeña galaxia en el medio. Y ahora pon la lente sobre la galaxia, y lo que resultará es que verás un anillo, un anillo de Einstein. Mueve la base hacia un lado y el anillo se dividirá en arcos. Puedes ponerlo sobre cualquier imagen. Sobre la cuadrícula podéis ver como todas las líneas de la cuadrícula se han distorsionado. Y esto es, un modelo bastante preciso de lo que pasa con las lentes gravitacionales.

Bien, entonces la pregunta es: ¿vemos esto en el cielo? ¿Vemos arcos en el cielo cuando miramos a, digamos un cúmulo de galaxias? Y la respuesta es: Sí. Y así, esta es una imagen del telescopio espacial Hubble. Muchas de las imágenes que hemos estado viendo antes son del telescopio espacial Hubble. En primer lugar, las galaxias con formas doradas son las del cúmulo. Son las que están inmersas en ese mar de materia oscura que está causando que la luz se doble y genere esas ilusiones ópticas, o espejismos casi, de las galaxias del fondo. Y las líneas que veis, todas estas líneas son en realidad imágenes distorsionadas de galaxias que se encuentran mucho más lejos.

Así que lo que podemos hacer es, basándonos en cuanta distorsión vemos en esas imágenes, calcular cuanta masa debe haber en ese cúmulo. Y es una cantidad de masa enorme. Y además, se puede ver a ojo mirando aquí que estos arcos no están centrados en galaxias individuales están centrados sobre alguna estructura más extensa. Que es la materia oscura en la que se encuentra el cúmulo. Así que esto es lo más parecido que hay a ver al menos los efectos de la materia oscura con nuestros ojos.

Bien, un pequeño repaso para asegurarme de que me seguís. La prueba entonces de que un cuarto del universo es materia oscura -esa cosa que atrae gravitacionalmente- es que en las galaxias, la velocidad con la que orbitan las estrellas es demasiado grande; Tienen que estar inmersas en materia oscura. La velocidad con que las galaxias orbitan en el interior de cúmulos es demasiado grande; Tienen que estar inmersas en materia oscura. Y vemos estos efectos de lente gravitacional. Estas distorsiones que nos dicen de nuevo que los cúmulos están inmersos en materia oscura.

Bien, entonces volvamos ahora sobre la energía oscura. Para entender las evidencias sobre la energía oscura, tenemos que comentar algo a lo que ha hecho referencia Stephen Hawking en la charla anterior. Y es el hecho de que el espacio en si mismo se está expandiendo. Si imaginamos una sección de nuestro universo infinito y en el que he colocado cuatro galaxias espirales, ¿vale? E imaginad que colocáis una serie de cintas de medir, de manera que cada línea aquí se corresponde con una cinta de medir horizontal o vertical -- para medir dónde están las cosas. Si pudierais hacer esto, lo que encontraríais es que con cada día que pasa, cada año que pasa, cada mil millones de años que pasan, la distancia entre las galaxias se hace mayor. Y no es porque las galaxias se muevan alejándose una de otra por el espacio; no están necesariamente moviéndose por el espacio. Se están alejando unas de otras porque el espacio en si mismo está agrandándose. ¿ok? Eso es lo que significa la expansión del universo, o del espacio. Se están alejando más y más.

Otra cosa que también mencionó Stephen Hawking es que tras el Big Bang, el espacio se expandió muy rápidamente. Pero debido a que hay materia con atracción gravitatoria inmersa en este espacio, se tiende a frenar la expansión del espacio. Así que la expansión se frena con el tiempo. Y así, durante el último siglo, la gente ha debatido sobre si esta expansión del espacio continuará para siempre, o si se frenará, es decir, si continuará frenándose por siempre. Si se frenará y parará, si parará asintóticamente, o si parará y después en sentido contrario empezará a contraerse de nuevo. Así que, hace un poco más de una década dos grupos de físicos y astrónomos se propusieron medir la tasa a la que la expansión del universo se estaba frenando. viendo cuánto menos se expande ahora comparado con digamos, hace unos dos mil millones de años. viendo cuánto menos se expande ahora comparado con digamos, hace unos dos mil millones de años.

La sorprendente respuesta a está pregunta, de acuerdo a estos experimentos, fue que el espacio se está expandiendo más rápido hoy en día que hace mil millones de años. Así que la expansión del espacio se está acelerando. Este fue un resultado completamente inesperado.. No hay ningún argumento teórico convincente de por qué puede pasar esto. Nadie había predicho con anterioridad este resultado. Fue lo contrario de lo que se esperaba. Así que necesitamos algo capaz de explicar esto. Resulta que, en las ecuaciones matemáticas, se puede añadir en forma de un término que representa energía. Pero es un tipo de energía totalmente distinto de cualquier cosa que hayamos visto antes. Le llamamos energía oscura, y tiene este efecto de causar que el espacio se expanda. Pero no tenemos una buena motivación para ponerla ahí todavía. Así que está sin explicar por qué debemos añadirlo.

En este punto entonces, lo que me gustaría enfatizar es que en primer lugar, la materia oscura y la energía oscura son cosas completamente diferentes. Hay dos misterios ahí afuera sobre lo que forma la mayor parte del universo y tienen dos efectos muy distintos. La materia oscura, debido a su atracción gravitacional, tiende a alentar el crecimiento de estructuras. Así, se tienden a formar cúmulos de galaxias debido a su atracción gravitatoria. La energía oscura, por otra parte, está añadiendo más y más espacio entre galaxias. Hace que decrezca -la atracción gravitatoria entre ellas- y por tanto impide la formación de estructuras. Así que mirando a objetos como los cúmulos de galaxias, y a su densidad, a cuantos hay como función del tiempo, podemos aprender sobre cómo la materia oscura y la energía oscura compiten entre si en la formación de estructuras.

En términos de materia oscura, dije que no tenemos argumentos convincentes para justificar la energía oscura. ¿Los tenemos para la materia oscura? La respuesta es: sí. Tenemos candidatos bien justificados para la materia oscura. ¿Qué quiero decir por bien justificados? Quiero decir que hay teorías consistentes matemáticamente que se presentaron en realidad para explicar fenómenos completamente distintos, cosas de las que ni siquiera he hablado, y que predecían cada una de ellas la existencia de una nueva partícula de interacción débil.

Y eso es exactamente lo que quieres en física: una predicción que aparece en una teoría matemáticamente consistente que fue desarrollada para alguna otra cosa. Pero no sabemos si alguno de estos son de verdad el candidato a ser materia oscura. Uno o ambos, ¿quién sabe? o podría ser algo totalmente distinto. Buscamos estas partículas de materia oscura porque después de todo, están aquí, en esta habitación y no llegaron entrando por la puerta. Simplemente pasan a través de todo. Pueden atravesar el edificio, la tierra interactúan muy poco.

Así que una manera de buscarlas es construir detectores que sean extremadamente sensibles a una partícula de materia oscura y la golpeen de manera que un cristal vibre si eso pasa. Uno de mis colegas de aquí al lado y sus colaboradores han construido un detector así. Y lo han colocado en las profundidades de una mina de hierro en Minnesota, enterrado profundamente en el suelo. Y de hecho, en el último par de días han anunciado los resultados de mayor sensibilidad hasta la fecha. No han detectado nada, bien, pero eso pone límites a la masa y a la fuerza de interacción que tiene la materia oscura. Se va a lanzar un satélite telescopio a finales de año que va a apuntar al centro de la galaxia para ver si podemos observar partículas de materia oscura aniquilándose y produciendo rayos gamma que puedan detectarse con él. El gran colisionador de hadrones, un acelerador de física de partículas que se va a poner en marcha este año. Es posible que se puedan producir partículas de materia oscura en el gran colisionador de hadrones.

Como interactúan tan poco en realidad escaparán del detector, así que su rastro será una falta de energía. Desgraciadamente hay un montón de física nueva cuyo rastro podría ser una pérdida de energía así que será difícil diferenciarlas. Y por último, para proyectos futuros, se están diseñando telescopios para responder específicamente las cuestiones sobre materia y energía oscuras, telescopios terrestres. Y hay tres telescopios espaciales compitiendo ahora mismo por ser lanzados para investigar la materia oscura y la energía oscura. Así que en términos de grandes preguntas: ¿Qué es la materia oscura? ¿Qué es la energía oscura? Grandes preguntas a las que se enfrenta la física. Estoy segura de que tendréis muchas preguntas. Que espero poder responder durante las próximas 72 horas en que estaré por aquí. Gracias. (Aplausos)