¿Qué pasa con la materia oscura?

Rotación MOND y Newtoniana
(Wikimedia)

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Hace nueve años publiqué aquí un artículo con el título Materia Oscura o Nueva Teoría. En él señalaba que el movimiento de las estrellas en las galaxias no cuadra con las predicciones teóricas. El problema puede resolverse de dos maneras:

1.      Suponiendo que en las galaxias hay mucha más masa de la que podemos ver. A la que no podemos ver se le dio el nombre de materia oscura, donde la palabra oscura significa que no sabemos lo que es.

2.      Suponiendo que es preciso corregir las leyes de Newton en la parte exterior de las galaxias, donde la aceleración de las estrellas es muy pequeña. Se han propuesto diversas correcciones a las ecuaciones de Newton que resolverían el problema de forma satisfactoria, que reciben el nombre de teorías MOND (MOdified Newtonian Dynamics).

Partículas misteriosas

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Algunos físicos actúan a veces como si las hipótesis que proponen para explicar los misterios del universo fuesen siempre reales. Pero una hipótesis no es más que una propuesta para explicar un fenómeno natural, y no se puede considerar como una teoría confirmada mientras no haya proporcionado una o más predicciones acertadas sorprendentes. Este último detalle, que es esencial, generalmente se omite.

En 2020 leí dos libros de divulgación sobre cosmología y física de partículas (ambas ramas de la física están muy relacionadas):

¿Fantasmas en el universo?

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El modelo cosmológico estándar ha introducido en la física dos conceptos nuevos, que no existían antes:

• La materia oscura: Parece ser cinco veces más abundante que la materia ordinaria, pero no sabemos lo que es, qué la compone. Sólo sabemos que parece estar sujeta a la gravedad, y hasta ahora se ha llegado a la conclusión de su existencia por dos caminos diferentes: a) Analizando el movimiento de rotación de las galaxias, que parece exigir que haya en ellas más masa de la que podemos ver. b) Estudiando la radiación cósmica de fondo de microondas, que ha servido de base para ajustar el modelo cosmológico estándar.
• La energía oscura: No tenemos ni idea de lo que es. Algunos hablan de una quinta interacción (o fuerza) fundamental, la quintaesencia, que se uniría a las cuatro que conocemos: gravitación, electromagnética, fuerte y débil. Otros ofrecen otras explicaciones, ninguna de las cuales ha recibido confirmación experimental. La hipótesis de su existencia se apoya también en dos observaciones: a) Analizando la velocidad de expansión del universo, tras el descubrimiento, en 1998, de que dicha velocidad se está acelerando. b) Estudiando la radiación cósmica de fondo de microondas, que ha servido de base para ajustar el modelo cosmológico estándar.

Materia y antimateria. ¿Por qué estamos aquí?

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La materia de la que están constituidos el sistema solar, la Tierra, los seres vivos y nosotros mismos, está formada, casi por completo, por átomos que, a su vez, se basan en tres partículas elementales: protones, neutrones y electrones. Para cada una de esas partículas, así como para otras muchas que no suelen formar parte de los átomos, existe una antipartícula. Por lo tanto, podría haber antiátomos de antimateria, formados por antiprotones, antineutrones y antielectrones (positrones).

Una propiedad interesante de la materia y la antimateria es que no pueden estar juntas. En cuanto se ponen en contacto, se desintegran por completo, transformándose en energía. Todos los indicios apuntan a que nuestra galaxia (la Vía Láctea) está formada casi exclusivamente por materia. También hay algo de antimateria, en forma de nubes de antipartículas, fuera de la galaxia, cerca de ella y atraída por su gravedad, pero en cantidad tan ínfima, comparada con la masa de la galaxia, que para efectos prácticos puede ignorarse. Se ha hablado también de que podría haber algunas (muy pocas) anti-estrellas.

Cuáles fueron los mayores avances científicos del siglo

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La revista de divulgación científica Science News ha cumplido en 2021 cien años (un siglo) de existencia. Para celebrar esta efeméride, la revista ha publicado una lista de los que, según el autor, son los diez mayores avances científicos realizados entre 1921 y 2021. Esta es la lista, ordenada según la importancia del descubrimiento para el autor del artículo (de mayor a menor):

Qué es una teoría científica

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Karl Popper

Aunque esté de moda decir que las teorías de Karl Popper sobre la evolución de la ciencia están pasadas de moda, su definición de lo que es una teoría científica es inapelable:

Una teoría es científica si y sólo si es posible diseñar un experimento que demuestre que esa teoría es falsa.

Un caso paradigmático es la Interpretación de Copenhague de la Mecánica Cuántica. En 1935, Einstein, Podolsky y Rosen diseñaron un experimento que podría echar abajo dicha teoría. Unos meses más tarde, Niels Bohr publicó otro artículo en la misma revista, en el que respondía al artículo anterior. Casi 30 años después, como expliqué en otro artículo de este blog, el experimento EPR, que hasta entonces había sido mental, pudo llevarse a cabo y confirmó las predicciones de Bohr, en lugar de las de Einstein. Como esta teoría fue capaz de resistir un intento de demostrar su falsedad, debe ser considerada como una teoría científica.

Eso sí, este éxito de la teoría no implica que automáticamente deba considerase correcta o verdadera. Las teorías científicas (siempre según Popper) nunca llegan a serlo. Esta ha resistido con éxito un intento de echarla abajo, pero el próximo podría conseguirlo.

El modelo cosmológico estándar

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Mapa de la Radiación Cósmica de Fondo

En 1927, el sacerdote y astrónomo belga Georges Lemaître descubrió la ley de Hubble.

Sí, es correcto. Hubble no descubrió la ley hasta 1929. Lo que pasó fue que Lemaître lo publicó en francés en una revista de poco impacto (Annales de la Société Scientifique de Bruxelles), mientras Hubble, que lo publicó dos años más tarde en inglés en los Proceedings of the National Academy of Sciences, recibió mucha más publicidad y su nombre quedó asociado al descubrimiento.

Combinada con la ecuación cosmológica de Einstein, la ley de Lemaître-Hubble implica que el universo está en expansión. En un artículo publicado en 1931 en Nature, Lemaître sacó las consecuencias de esto proponiendo la teoría del Big Bang, así llamada en burla por su opositor Fred Hoyle en 1950. El nombre cuajó.

En 1948, Ralph Alpher, George Gamow y Robert Herman hicieron dos predicciones sorprendentes, partiendo de la teoría del Big Bang: la composición media de la masa del cosmos (tres cuartas partes de hidrógeno y una de helio), y la existencia de la radiación cósmica de fondo. Ambas fueron comprobadas durante los años sesenta. A partir de ahí, la teoría del Big Bang se convirtió en la teoría cosmológica estándar.

A vueltas con la energía oscura

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Albert Einstein

En un artículo anterior mencioné que Einstein introdujo un tercer término en el segundo miembro de su ecuación cosmológica, para intentar que dicha ecuación tuviera como solución un cosmos estacionario, que no se expandiera ni se contrajera. El intento no consiguió su objetivo, porque dicho cosmos estacionario habría estado en equilibrio inestable, y la menor variación le habría empujado a expandirse o a contraerse. El término en cuestión depende de una constante (L, la constante cosmológica), que fue introducida por las buenas y en realidad no sabemos lo que es.

Ecuación cosmológica de Einstein

Durante la mayor parte del siglo XX, se dio por supuesto que el valor de la constante cosmológica debía ser cero. Con otras palabras, que el tercer término de la ecuación de Einstein no existía, que no era necesario. Sin embargo, en 1998 se descubrió que el universo parece estar en expansión acelerada. Al menos, eso parece indicar el estudio de las supernovas que aparecen en galaxias muy lejanas, a unos 1000 millones de años-luz de nosotros. Para explicarlo se resucitó el término de la constante cosmológica, pero dando a esta un valor de signo contrario al que propuso Einstein, para que en vez de contrarrestar la expansión, la acelerase. Esta propuesta se ha convertido en el modelo cosmológico estándar, en el que el primer término de la ecuación, que representa el efecto de la masa, cuenta actualmente como un 31%, mientras el tercero, el de la constante cosmológica, cuenta como un 69%. En este modelo, el segundo se considera nulo. Dejo aparte la cuestión de que el término de la masa tampoco cuadra, y ha sido preciso suponer que existe una materia oscura, que tampoco sabemos lo que es.

Problemas pendientes en el modelo cosmológico estándar

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El modelo cosmológico estándar, que se impuso hacia 1998, recibe el nombre de LCDM y se basa en las siguientes afirmaciones:

• El universo empezó con un Big Bang, tras el cual hubo una etapa de expansión acelerada (la inflación), que después se redujo hasta niveles próximos a los actuales. Más tarde apareció la materia ordinaria, formada esencialmente por hidrógeno y helio.
• La curvatura media del cosmos es próxima a cero (universo plano): el espacio tridimensional es aproximadamente euclídeo.
• La densidad media de materia del cosmos equivale a alrededor del 30% de la densidad crítica (la que separa un cosmos abierto, en expansión ilimitada, de un cosmos cerrado, que volvería a contraerse). Como la densidad de materia ordinaria que se ha detectado hasta ahora representa menos de un 5% de la densidad crítica, el resto (más del 25%) tendría que ser una forma desconocida (la materia oscura). De hecho, sería lo que se llama materia oscura fría, lo que explica las siglas CDM en el nombre del modelo (Cold Dark Matter). En un artículo anterior hablé sobre la materia oscura.

Materia oscura o nueva teoría

Urbain Le Verrier

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La ciencia estudia hechos concretos y trata de explicar por qué ocurren. Las teorías científicas son tanto más creíbles cuantos más hechos explican o predicen. Basta que un hecho se oponga a la teoría, o que esta dé lugar a una predicción no confirmada, para que haya que plantearse revisarla. En el método científico, las teorías nunca son definitivas y los hechos tienen precedencia.

Un ejemplo clásico es la teoría de la gravitación universal de Newton, que permitió explicar hechos como la caída de los cuerpos y el movimiento de los astros. Su primer logro, realizado por el propio Newton,  fue la deducción matemática de las tres leyes experimentales de Kepler, que las obtuvo empíricamente a partir de la observación de las órbitas de los planetas. Pero su mayor éxito fue una predicción correcta, cuando se detectaron discrepancias entre la órbita de Urano predicha por la teoría y la observada en la realidad. Cuando ocurre algo así, el problema se puede resolver de dos maneras: