La insoportable gravedad del ser: materia y energía oscuras para dummies

Las cosas importantes siempre tienen que ver con una manzana. Adan y Eva, Newton, Steve Jobs, etc. Stukeley, amigo de Newton, escribió su biografía y contó la famosa anécdota de la manzana: Newton se preguntaba mirando al manzano "¿Por qué esa manzana siempre desciende perpendicularmente hasta el suelo?". En 2010 en la misión del Shuttle Atlantis STS-132 el astronauta británico Piers Sellers, llevó una rama del manzano de Newton al espacio. Nunca podría haber imaginado el célebre físico, que una manzana podría flotar en gravedad cero y desafiaría a su ley de gravitación universal. Pero sin la física newtoniana tampoco hubiéramos podido lanzar un cohete al espacio.

Atlantis STS-132 en la ISS

La gravedad: de fuerza a campo

La humanidad vivió pegada al suelo terrestre durante millones de años sin saber porqué hasta 1685, cuando Netwon, físico, filósofo y matemático, pero también alquimista y católico arrianista, explicó que era la gravedad. La gravedad es una fuerza que describe cuantitativamente la atracción de dos objetos con masa. Concretamente, la gravedad es la fuerza F ejercida entre dos cuerpos de masas m₁ y m₂ separados una distancia r es proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia. La G es la constante de la gravitación, que se obtuvo de forma empírica por Cavendish en 1798. 

La teoría newtoniana describe muy bien todos los fenómenos terrestres y hasta las órbitas de los planetas, pero la belleza de la ciencia es, que cuando una teoría es incapaz de describir algunos hechos, se convierte en falsa o reduce su alcance explicativo. Efectivamente, la teoría explicaba perfectamente las órbitas de todos los planetas excepto la de Mercurio, que no era un elipse cerrado, sino un semi-elipse. Esto sólo pudo ser descrito mediante una teoría superior en poder explicativo como fue la teoría de la relatividad general de Einstein, que es una teoría de la gravedad como campo gravitatorio (en vez de fuerza), inspirada en el concepto de campo electromagnético. De hecho, la teoría newtoniana tampoco explicaba como se ejercía esta fuerza, ya que no había ningún contacto entre los objetos. Esta atracción a distancia también quedó definitivamente explicada por la teoría de la relatividad general, al postular, que la gravedad no era una fuerza, sino un campo gravitatorio visible como curvatura del espacio-tiempo. 

La Luna es atraída por la gravedad de la Tierra

Para entenderlo, es como si el espacio tiempo fuera una lona elástica y al poner un objeto muy pesado al lado de otro menos pesado, este último tiende a caer por la bajada provocada por el primero. Otra falla de la teoría de Newton fue la velocidad de rotación de las galaxias, que no responde adecuadamente a la ley de la gravitación, lo que precisamente llevó a formular la existencia de una materia oscura.

La materia oscura o la cohesión de las galaxias

Pensar que la enormidad del Universo físico es tan sólo el 0,03% es bastante aterrador. El total de la materia conocida llegaría al 4,5%, es decir, que no sabemos que es el 95,5% de todo lo que hay ahí fuera, del Universo al completo. El 73% de lo desconocido está compuesto por la llamada energía oscura y el resto, el 22,5% está compuesto por la llamada materia oscura. Este tipo de materia fue propuesta por Fritz Zwicky en 1933. Observando el cúmulo de galaxias de Coma Zwicky calculó, que la masa gravitatoria de las galaxias dentro de el clúster tenía un valor al menos 400 veces mayor de lo esperado. Esto sólo podía significar que había una "masa no visible", que influía en las velocidades orbitales de las galaxias de los cúmulos. Las galaxias giran más rápido de lo que deberían, porque hay más masa de la que se puede observar. Esta masa invisible es la materia oscura, cuya función es que una galaxia, como por ejemplo la nuestra, la Vía Láctea, en forma de espiral, se mantenga unida y tenga una velocidad constante de rotación. La materia oscura es el pegamento, el andamiaje de las galaxias. Provoca una fuerza gravitatoria, que mantiene una galaxia unida, cohesionada. De otra manera las estrellas que forman parte de esta, se dispersarían por el espacio de manera azarosa.

Lente gravitacional captada por el Hubble

La evidencia de la materia oscura es indirecta y se consiguió constatar en 2006 a través de las llamadas lentes gravitacionales, también predichas por Einstein. Este fenómeno sucede cuando la luz proveniente de cúmulos de estrellas distantes y brillantes, se curva alrededor de un objeto masivo como una galaxia. Si la luz se deforma a su paso es porqué existe algo que le obliga a cambiar de trayectoria. Ese algo puede ser la materia ordinaria cuando se ve, pero cuando no, se trata de la materia oscura.

Parecidos razonables: una neurona y una simulación por ordenador de materia oscura

Se desconoce la composición de la materia oscura, pero al ser materia debe estar compuesta por partículas. Los científicos andan en búsqueda las que podríamos llamar partículas oscuras. Estas atravesarían el Universo, la Tierra, nosotros, al menos como hacen los neutrinos, que golpean 60.000 millones cada centímetro cuadrado por segundo sin que nos enteremos. Algunos científicos se inclinan por las partículas WIMP (partículas masivas que interactúan débilmente) como candidatas. Pero estas son, por el momento, meras hipótesis

El Large Hadron Collider (LHC) del CERN en busca de nuevas partículas

La energía oscura o la repulsión de las galaxias

Los astrónomos siempre pensaron, que después del Big Bang -de la gran explosión inicial del Universo-, aunque este sigue aumentado de tamaño, se ralentizaría hasta su final por la gravedad o implosionaría en un Big Crunch, pero no es así. El Universo no se está ralentizando sino acelerando. El término "energía oscura" fue acuñado por Michael Turner en 1998 observando supernovas tipo 1a extremadamente lejanas.  Hasta ese momento, se pensaba que la expansión del Universo se estaba frenando debido a la fuerza gravitatoria, sin embargo, se descubrió lo contrario, que se estaba acelerando. Por tanto, debía existir algún tipo de fuerza que acelerase el Universo. De alguna manera, la materia oscura ya fue vaticinada por Einstein cuando estableció una constante cosmológica. Einstein, a quien disgustaban algunas de las ideas exóticas provocadas por su propia teoría, como los agujeros negros, creía firmemente en un Universo estático, por ello introdujo de forma artificial un término adicional a sus ecuaciones denominado constante cosmológica, para evitar el fenómeno de la expansión. Tras los resultados publicados por Hubble, a saber la Ley de Hubble, que demuestra la expansión del Univeso, Einstein se dió cuenta de sus prejuicios, se retractó y retiró este término, al que denominó "el mayor error de mi carrera". Pero, Hubble también se equivocó. Dentro de la ecuación de la Ley de Hubble, hay la llamada constante de Hubble, que asigna un valor fijo a la expansión del Universo y las observaciones de Turner, entre otras, demostraron que la constante de Hubble no es tal, sino que su valor varía con el tiempo. 

La aceleración de la expansión del Universo por la materia oscura

Sin embargo, a pesar de los errores se atribuye a Einstein el genial descubrimiento de la materia oscura, como la mayor fuerza del Universo y el mayor desafío para la física del siglo XXI. En definitiva, la energía oscura es una fuerza gravitatoria o mejor dicho anti-gravitatoria, repulsiva, que permite que las galaxias se alejen unas de otras, pero no de manera constante si no acelerada. La energía oscura es la energía del vacio, del vacio del espacio o como dice Michio Kaku, es la energía de la Nada. Una consecuencia directa de este descubrimiento es que el Universo es más viejo de lo que se pensaba: hemos pasado de 10.000 a 13.700 millones de años. 

La gravedad del Ser

El escritor Kundera hablaba de la insoportable levedad del Ser, pero lo que realmente nos condiciona de manera absoluta es la gravedad. El Ser, la realidad existente, es la gravedad, el continuo espacio-tiempo, el Ser aquí ahora. Sabemos algo de la gravedad y cada vez tenemos más dudas. Existen muchos nuevos acercamientos teóricos a la gravedad en el intento de encontrar una teoría unificada del Universo, que compatibilice el mundo micro de la mecánica cuántica y el macro de la teoría de la relatividad, que explique toda la materia y todas las fuerzas. Dos fuerzas gravitatorias opuestas hemos visto, que se disputan la arquitectura del Universo: una atractiva y la otra repulsiva o antigravitatoria. Fuerzas antagonistas que mantienen la organización del Universo. Compitieron entre sí desde el Big Bang. Se piensa que al principio del Universo, la materia oscura ralentizó la expansión provocada por la energía oscura, al menos durante los primeros 9.000 millones a de años, pero desde hace unos 5.000 millones de años, la energía oscura ganó la batalla, sobrepasando a la fuerza gravitatoria de la materia y empezando la aceleración de la expansión.

La suerte de nuestro Ser, de nuestro Universo, depende de la energía oscura. Tan grave designio nos espera. De seguir las cosas así, acabaríamos dentro de 20.000 millones de años en lo que se llama el Big Rip, el gran desgarro. El Universo acabaría por disgregarse en subpartículas flotantes, que permanecerían separadas sin interacción, sin cohesión gravitatoria ni energía alguna, para la eternidad. No somos nadie.