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Una instalación diseñada (entre
otras cosas) para resolver los misterios de la materia oscura
ahora lleva oficialmente el nombre de Vera Rubin, la científica
que concluyó que la misteriosa sustancia debe existir. El
anuncio se hizo público hace unos días en la 235ª reunión
de la Sociedad Astronómica Americana, durante una jornada
dedicada a lo que hasta la fecha se ha llamado el Gran Telescopio
para Rastreos Sinópticos o, en inglés, Large Synoptic Survey
Telescope (LSST). El ahora llamado Observatorio Vera C. Rubin
contará con un telescopio de 8,4 metros capaz de examinar
la totalidad del cielo visible, en el norte de Chile y para
entrar en funcionamiento en el año 2022.
"Es un cambio de nombre importante
por el de una astrónoma pionera, que está íntimamente relacionada
con una de las áreas de la ciencia clave para este proyecto",
anunciaba Ralph Gaume, Director de la División de Ciencias
Astronómicas de la Fundación Nacional de Ciencias. El Observatorio
Vera C. Rubin es un proyecto dirigido por la National Science
Foundation y el Departamento de Energía de los Estados Unidos.
Sus primeros 10 años de trabajo se dedicarán por completo
a un proyecto ahora conocido como Legacy Survey of Space and
Time, o lo que es lo mismo, una forma de seguir conservando
las siglas del antiguo proyecto, LSST.
Luz verde al telescopio más grande del mundo.
Hasta su muerte en 2016, Rubin
figuraba con frecuencia como candidata al Premio Nobel de
física, pero nunca lo consiguió (en vida). Su descubrimiento
más importante fue que las galaxias giran tan rápido que tendrían
que dispersarse. El hecho de que no lo hagan, razonó, es una
prueba de que hay una gran cantidad de ‘algo’ en el universo
que los humanos aún no podian estudiar directamente, lo que
ahora llamamos materia oscura.
Cuando consiguió dejar huella
en la comunidad científica, trabajó para hacer extensible
esa aceptación a toda la sociedad. Por lo que su legado no
es sólo fundamental para la ciencia, sino un ejemplo a todos
los niveles. El Observatorio Vera C. Rubin espera, en poco
tiempo, empezar a dar los primeros pasos para resolver el
rompecabezas de la materia oscura que Rubin descubrió en su
camino para convertirse en una importante figura de la astronomía.
| El 11 de Febrero se celebra el Día Internacional de
la Mujer y la Niña en la Ciencia. Pese a que el panorama
va cambiando lentamente, la presencia de mujeres en ciertas
áreas científicas, como la física y las ingenierías, es
muy inferior a la de los hombres. La astronomía no es
una excepción. |
En astrofísica y cosmología física, se denomina
materia oscura a un tipo de materia que corresponde aproximadamente
al 30% de la materia del universo, y que no es energía oscura,
materia bariónica (materia ordinaria) ni neutrinos. Su nombre
hace referencia a que no emite ningún tipo de radiación electromagnética
(como la luz). De hecho, no interactúa en ninguna forma con
la radiación electromagnética, siendo completamente transparente
en todo el espectro electromagnético.
Su existencia se puede inferir a partir de
sus efectos gravitacionales en la materia, tales como las
estrellas o las galaxias, así como en las anisotropías del
fondo cósmico de microondas presente en el universo.
La materia oscura fue propuesta por Fritz Zwicky
en 1933 ante la evidencia de una "masa no visible" que influía
en las velocidades orbitales de los cúmulos en las galaxias.
Posteriormente, otras observaciones han indicado la presencia
de materia oscura en el universo: estas observaciones incluyen
la citada velocidad de rotación de las galaxias, las lentes
gravitacionales de los objetos por los cúmulos de galaxias,
tales como el Cúmulo Bala (1E 0657-56) y la distribución de
la temperatura del gas caliente en galaxias, cúmulos de galaxias
y nebulosas.
_John_Glenn_(1921-2016).jpg)
Vera Rubin con John Glenn.
La materia oscura también desempeña un papel
central en la formación de estructuras y la evolución de galaxias
y tiene efectos medibles en la anisotropía de la radiación
de fondo cósmico de microondas. Todas estas pruebas sugieren
que las galaxias, los cúmulos de galaxias y todo el Universo
contiene mucha más materia que la que interactúa con la radiación
electromagnética: lo restante es llamado "el componente de
materia oscura". La composición de la materia oscura se desconoce.
Algunos de los candidatos a materia oscura pueden ser neutrinos
ordinarios y pesados, partículas elementales recientemente
postuladas como los WIMPs y los axiones, cuerpos astronómicos
como las estrellas enanas, los planetas (colectivamente llamados
MACHO) y las nubes de gases no luminosos.
Las pruebas actuales favorecen los modelos en
que el componente primario de la materia oscura son las nuevas
partículas elementales llamadas colectivamente materia oscura
no bariónica.
El componente de materia oscura tiene bastante
más masa que el componente "visible" del Universo. Actualmente,
se estima que la densidad de bariones ordinarios y la radiación
en el Universo equivalen aproximadamente a un átomo de hidrógeno
por metro cúbico de espacio. Aproximadamente, sólo el 5% de
la densidad de energía total en el Universo (inferido de los
efectos gravitacionales) se puede observar directamente. Se
estima que en torno al 23% está compuesto de materia oscura.
El 72% restante consistiría en energía oscura, un componente
incluso más extraño, distribuido difusamente en el espacio.
Alguna materia bariónica difícil de detectar
contribuye a la materia oscura, aunque algunos autores defienden
que constituye sólo una pequeña porción. Aun así, hay que
tener en cuenta que el 5% de materia bariónica estimada (la
mitad de ella todavía no detectada) se puede considerar materia
oscura bariónica: todas las estrellas, galaxias y gas observables
reúnen menos de la mitad de los bariones que se supone debería
haber.
Se cree que toda esta materia puede distribuirse
en filamentos gaseosos de baja densidad, formando una red
por todo el universo, en cuyos nodos se encuentran los diversos
cúmulos de galaxias. En mayo de 2008, el telescopio XMM-Newton
de la agencia espacial europea encontró pruebas de la existencia
de dicha red de filamentos. La determinación de la naturaleza
de esta masa no visible es una de las cuestiones más importantes
de la cosmología moderna y la física de partículas. Las denominaciones
"materia oscura" y "energía oscura" expresan principalmente
nuestro desconocimiento, casi como los primeros mapas etiquetados
como "Terra incógnita".
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Vera Rubin nos dejó a finales de 2016. Nació
en 1928 en Filadelfia, y no pudo ir a la Universidad
de Princeton porque en los años cuarenta no aceptaba
mujeres para estudiar Astronomía. De hecho, siguió sin
aceptarlas hasta 1975. Pero Rubin pudo estudiar en otros
centros norteamericanos menos retrógrados, y acabó haciéndose
con un buen aparato astronómico (espectrómetro) en la
Institución Carnegie de Washington. Eso le permitió
concluir que la Física de su tiempo estaba mal. Una
provocación en toda regla. Allá lejos, en el
cielo nocturno, camuflada entre las estrellas de la
constelación de Andrómeda, visible a simple vista pese
a que su luz tarda dos millones y medio de años en llegar
a nuestros ojos, se exhibe al mundo la galaxia más próxima
a nuestro arrabal del cosmos: la galaxia de Andrómeda,
el grumo espiral de materia más cercano, y más similar,
a la Vía Láctea. Rubin la enchufó con su telescopio
de alta tecnología, y lo que vio la dejó perpleja. Las
galaxias no giraban de acuerdo con las leyes de Newton
o de Einstein, que obligaban a las estrellas centrales
a rotar mucho más deprisa que a las exteriores. Más
bien, todas las estrellas giraban al mismo ritmo. O
las leyes estaban mal, razonó Rubin, o había en las
galaxias un montón de materia que no podíamos ver, pero
que regía su comportamiento gravitatorio. La materia
oscura.
Hoy calculamos que la materia oscura que descubrió
Rubin da cuenta del 25% del universo; otro 70% consiste
en energía oscura, la “constante cosmológica” que Einstein
inventó para que el cosmos no se colapsara, y que hoy
explica que se esté expandiendo de forma acelerada.
Solo el 5% restante es lo que solemos llamar materia,
esa cosa que estudiamos en el colegio y que constituye
por entero nuestro cuerpo y nuestra mente.
El hallazgo de Rubin no fue precisamente una nota al
pie de la Física. Más bien aspiraba a constituir el
texto principal. Hoy seguimos sin saber qué es la materia
oscura, pero también seguimos sabiendo que tiene que
existir. O que nuestras leyes están mal. Es odioso generalizar
sobre los sexos, pero también lo es ignorar la historia
de la ciencia del siglo XX. Henrietta Leavitt descubrió
la cinta métrica de medir el cosmos que permitió a Hubble
postular la expansión del universo; Barbara McClintock
descubrió los transposones, o genes saltarines esenciales
para el desarrollo y la evolución humana; Lynn Margulis
descubrió el origen de la célula moderna.
Y Vera Rubin descubrió el 25% del cosmos. Vaya tontos
que fueron en Princeton.
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La edificación del Telescopio finalmente es una realidad,
tras décadas de planificación y recaudación de fondos. Con
financiación tanto pública como privada (Bill Gates aportó
10 millones de dólares al proyecto y Charles Simonyi -ex ejecutivo
de Microsoft y conocido filántropo-, 20 millones de dólares),
está integrado por científicos de la Universidad de
Washington (EE.UU.) y otras instituciones. Ubicado en la cima
de una montaña en el desierto de Atacama de Chile, en el Cerro
Pachón, en la Región de Coquimbo, a 2682 m. de altitud. La
elección de esta localización se debe a que cuenta con las
mejores condiciones atmosféricas y con el mayor número de
noches despejadas por año, características que favorecen su
desempeño a nivel astronómico.
Un telescopio de 8.4 metros capaz de examinar la totalidad
del cielo visible, esto es, escaneará por completo el cielo
cada 3 o 4 noches con su cámara de 3.200 megapíxeles, analizando
las imágenes en tiempo real y detectando cualquier cambio
en el cielo en cuestión de segundos (por ejemplo el acercamiento
hacia la Tierra de un asteroide). El telescopio espacial Hubble
necesitaría 120 años para lograr el mismo rendimiento. Se
espera que pueda llegar a tomar más de 200.000 fotografías
al año. Como curiosidad, cuando el gran telescopio funcione
a pleno rendimiento, requerirá de más de 100 Gbs de ancho
de banda por segundo. El coste de su construcción alcanzará
los 700 millones de dólares y los astrónomos del proyecto
esperan recibir los primeros datos en 2019, aunque su puesta
en marcha oficial está prevista para 2022. Una vez hecho,
todos los datos e imágenes serán libres, esto es, estarán
a disposición de cualquier persona. Lo cierto es que LSST
nos ofrecerá la película más grande del cielo, lo que permitirá
a los científicos rastrear el movimiento de miles de millones
de objetos y ver cómo las estrellas nacen y mueren. “Con su
capacidad para detectar objetos débiles y mirar en los confines
del universo, LSST ha sido diseñado para hacer frente a algunos
de los mayores desafíos de la astronomía”, afirma Steven Kahn,
director del proyecto LSST.
Un gran espejo primario de 8.4 metros, la cámara digital
más grande del mundo, imágenes que cubren 40 veces el área
de la Luna en una sola exposición y el conjunto de datos públicos
más grande del mundo: LSST aprovecha las nuevas tecnologías
para proporcionar una cualitativamente nueva capacidad para
la astronomía.
Si uno conoce las leyes gravitatorias y observa una galaxia,
descubrirá que rota mucho más rápido de lo que debería. La
masa de sus estrellas no basta para impulsarla hasta la velocidad
que alcanzan. Esta discordancia hizo pensar que existía una
materia distinta, que no emitía ni reflejaba luz, y que vistos
sus efectos sobre la gravedad, era más abundante que la convencional.
Nunca se ha detectado de forma directa, pero el encaje de
las observaciones indirectas con las teorías gravitacionales
hace muy plausible su existencia. Se ha encontrado en todas
las galaxias estudiadas. Salvo en una.
En Marzo de 2018, un equipo internacional de científicos
liderado por Pieter van Dokkum, de la Universidad de Yale
(EE UU), publicaba la primera observación de una galaxia sin
materia oscura (o al menos con la misma materia oscura que
materia visible): NGC1052-DF2. Ese hallazgo sorprendente podría
cambiar la idea que se tiene sobre la formación de las galaxias.
Uno de los planteamientos más aceptados implica que la materia
oscura tiene un papel fundamental en el origen de las galaxias.
Las acumulaciones de grumos de esta sustancia adquieren tirón
gravitatorio y forman halos de materia oscura que empiezan
a atrapar gas. Cuando hay una cantidad suficiente, se encienden
las estrellas y poco a poco aparecen galaxias como la que
nos da cobijo. La nueva galaxia pone en duda, al menos, que
ese modelo sea el único.
Los investigadores detectaron por primera vez la acumulación
de estrellas con el Dragonfly Telescope Array, un telescopio
construido a medida en Nuevo México (EE UU) para capturar
la luz de estas “galaxias ultradifusas”. Después, los telescopios
hawaianos Gemini y Keck permitieron analizar con detalle los
movimientos de algunos grupos de estrellas de NGC1052-DF2.
Se desplazaban más despacio de lo esperado, algo que se podía
explicar si solo contasen con la masa que se veía desde los
observatorios y no existía una gran cantidad de materia oscura
produciendo una aceleración extra. Van Dokkum considera que
este descubrimiento confirma que la materia oscura es real,
que tiene “una existencia separada independiente de otros
componentes de las galaxias”.
El Dragonfly Telescope Array, dando el cayo.
Sven Heinemeyer, investigador del IFCA y el IFT, reconoce
que el artículo “le ha sorprendido bastante”. Para él, como
para los autores, las implicaciones más interesantes son las
que tienen que ver con la dinámica de formación de galaxias.
“Creemos que entendemos cómo se formaron las galaxias y el
papel de la materia oscura es central”, señala. “Pero parece
que puede haber circunstancias en las que se formen galaxias
sin materia oscura”, añade. “Estas galaxias superdifusas parecen
ser algo muy especial, que pudo formarse en una región del
universo en la que había poca materia oscura”.
En cualquier caso, advierte de que, aunque muy interesante,
“se trata solo de una observación”. Ahora, tanto los autores
del trabajo como otros grupos de astrónomos de todo el mundo
tratarán de buscar más galaxias sin materia oscura. Van Dokkum
y sus colegas ya han analizado imágenes de 23 de estas peculiares
galaxias difusas y tres comparten características con NGC1052-DF2.
En los próximos meses, los telescopios hawaianos las escrutarán
para comprobar si también forman parte de esta nueva especie
galáctica.
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Dos ambiciosos experimentos trataron en 2017 de echarle
el lazo a la materia oscura, uno de los retos más gigantescos
de la física contemporánea.
Las reglas del juego indican claramente que, para que
todo funcione, el 27% del universo debe estar compuesto
de esta sustancia, que no es materia ni interactúa con
ninguna otra fuerza, que no emite luz ni energía de
ningún tipo... simplemente, tiene que estar ahí, aunque
no la veamos. Algo que también dicen esos modelos cosmológicos,
el libro de instrucciones de todo cuanto existe, es
que en raras ocasiones esa materia oscura puede interactuar
con la visible.
Estos dos últimos intentos trataban de resolver el
problema desde distintas perspectivas, pero en ambos
casos se buscaba una esquiva partícula llamada WIMP,
acrónimo en inglés de "partículas masivas que interactúan
débilmente".
En el primero de ellos, un grupo de científicos chinos
lo intentaron con una cámara llena de xenón líquido
y gaseoso llamada PANDAX-II, perfectamente preparada
para detectar esas partículas WIMP si se les ocurría
aparecer. En el segundo, científicos del Laboratorio
Nacional Gran Sasso de Italia trataron de hacer lo mismo
con su experimento XENON1T.
El funcionamiento de estos sistemas es básicamente,
introducir xenón en un tanque ubicado a muchos metros
bajo tierra. Si alguna partícula WIMP atravesara la
Tierra y llegara a estos tanques, podría interactuar
con el xenón ya que tiene un átomo con mucha masa. Y
si esto sucediera, el impacto liberaría luz y carga
eléctrica.
El resultado, en ambos casos, fue el mismo. Se fueron
con las manos vacías.
Lo mismo ocurre con todos los intentos del CERN, de
la NASA o de los múltiples telescopios, en la Tierra
o en el espacio, que se han propuesto detectar en algún
momento alguna pista de qué es esa materia oscura que
está ahí fuera. En definitiva, de que el modelo sobre
el que se basa todo lo demás es correcto.
En algunos aspectos, sí que ha habido avances. Por
ejemplo, contamos cada vez con mapas más sofisticados
que muestran cómo se reparte esa materia por el universo.
Uno de los últimos, presentado en agosto de 2017 en
el University College de Londres, incluía 26 millones
de galaxias.
Así se reparte la materia oscura a lo
largo de 26 millones de galaxias.
Pero incluso en ese momento, uno de los
autores del trabajo, Ofer Lahav, declaraba "no podemos
simplemente decir que no sabemos lo que es la materia
oscura, tenemos que hacer el esfuerzo de saber qué es".
Sabemos que las estrellas se mueven más rápido de lo
que uno esperaría en base a la materia visible, y eso
significa que hay más masa de la que podemos medir u
observar. Esa masa extra, en teoría, es la materia oscura
y es seis veces más abundante que la que nos rodea y
podemos ver, que llamaremos materia bariónica.
"Uno de los grandes problemas es que hay
aspectos del modelo cosmológico —que a gran escala funciona—
que están en crisis, sus predicciones no concuerdan
con lo que observamos", dice a Teknautas Amina Helmi,
profesora en la Universidad de Groningen, "y estos aspectos
son precisamente los que podemos testear con la Vía
Láctea, nuestra propia galaxia, por eso es tan importante.
Aún no sabemos por qué no logramos detectar la materia
oscura, si es porque no entendemos bien el modelo, porque
no entendemos bien cómo interpretar las observaciones
—que hasta el momento han sido limitadas— o si realmente
es que la materia oscura no es materia oscura y toda
la teoría de gravitación debería cambiar". Forma parte
de la misión Gaia de la Agencia Espacial Europea, un
satélite lanzado en 2013 para recoger información del
movimiento de unas 1.000 millones de estrellas de nuestra
galaxia. "Esperamos reconstruir la genealogía de la
galaxia, cómo se formó... todos los procesos físicos
que llevaron a lo que es la Vía Láctea en este momento",
explica la astrónoma.
El objetivo al medir los movimientos de
las estrellas es comprender qué fuerzas actúan en torno
a la Vía Láctea, y ahí es donde entra en juego otra
vez la materia oscura. "Tanto Gaia como Euclid, otra
sonda que la ESA lanzará en 2022, nos ayudarán a mapear
la distribución de masa en el universo, lo que nos ayudará
a su vez a entender qué son la materia oscura y la energía
oscura", explica Helmi, "pero al mismo tiempo tiene
que producirse una detección", no por parte de ella
o su equipo, sino de sus compañeros: los físicos de
partículas.
¿Pero y qué partícula será esa? Los dos
últimos experimentos fallidos parecen haber cerrado
la puerta a las, hasta el momento, principales candidatas.
"No es una retirada por completo del paradigma WIMP,
pero definitivamente hay un cambio en el énfasis", dijo
recientemente a Nature el físico Dan Hooper, del Fermilab,
el equivalente estadounidense del CERN. "El rango posible
es muy amplio, y nos hemos focalizado demasiado en un
cierto tipo de partículas fundamentales", añade Helmi.
Ese momento en que uno no sabe si cerrar ya el libro
o empezar otro capítulo define actualmente la vida de
un científico en materia oscura.
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