Crónica de la Ciencia: Astronomía
Los Axiones podrían explicar la Materia Obscura y la Teoría de las Supercuerdas
Uno de los principios fundamentales del quehacer científico es el del rigor, el de la consistencia lógica. Y esto tiene que ver con la naturaleza básica de la ciencia. La ciencia es una disciplina filosófica, su nombre original era filosofía natural y cualquier sistema filosófico bien construido requiere de una serie de principios básicos de donde parten todos sus razonamientos. Estos principios básicos son los axiomas (proposiciones o enunciados tan evidentes que no requieren demostración). Son ideas que, cuando menos en un principio, no pueden ser demostradas como ciertas, pero que suenan razonables.
Cuando usted empieza a hacer trabajo científico, si acepta como razonables los axiomas de la ciencia, por ejemplo, que la naturaleza funciona con base en un juego de reglas lógicas que no se contraponen entre sí. Si aceptamos, independientemente de lo que podamos observar, que el mundo natural es real y su existencia no depende de que existamos, estos principios, este rigor científico puede generar resultados verdaderamente inesperados, poderosos e increíblemente útiles desde muchas perspectivas diferentes.
Uno de los ejemplos más dramáticos, desde luego, sino es que el más dramático de todos, es el que tiene que ver con la cosmología. Por siglos, la humanidad se inventó toda clase de historias sobre el origen del universo. Desde entidades súper poderosas que por actos de voluntad creaban al cielo y a la Tierra, y en el camino, colocaban en el centro del universo a los seres humanos y en el centro de la sociedad humana colocaban a ciertas personas especiales hasta entidades que crean a la totalidad del Universo en días.
Cuando nos ponemos a estudiar la distribución de las estrellas en el cielo y empezamos a aplicar la observación estelar, lo que se aprende en un laboratorio, se empieza a encontrar situaciones espectaculares. Esto fue completamente inesperado y hasta mal visto inicialmente por los grandes sabios del pasado, supuestamente la Tierra es un lugar muy diferente al resto del Universo y al resto de la creación. Y, por lo tanto, los fenómenos que podemos observar en un laboratorio terrestre no tienen por qué ser los mismos que los que ocurren en el mundo de las estrellas. Lo que pasa allá y lo que pasa acá son dos cosas diferentes y prácticamente todas las civilizaciones, desde el origen de la civilización misma pensaron de esa manera. Cuando llega el pensamiento científico, las cosas cambian de manera espectacular gracias al trabajo teórico de Copérnico y luego al trabajo práctico de Newton. Nos quedó claro que los principios fundamentales de la naturaleza que descubrimos en un laboratorio o debajo de un árbol cargado con manzanas, son los mismos que gobiernan el comportamiento del cielo. La fuerza que hace que una manzana caiga de un árbol es la misma que mantiene a la Luna girando alrededor de la Tierra. Estos descubrimientos de Newton fueron de gran relevancia, así como fue una revelación cultural verdaderamente devastadora, porque nos dimos cuenta que, prácticamente todo el pensamiento filosófico religioso de todas las civilizaciones se rompió en pedazos ante la revelación de Newton. Todo lo que habíamos pensado sobre el origen y organización del universo, todas las fantasías religiosas del pasado se estrellaron contra ese muro de realidad. Todo empezó a tomar fuerza gracias al trabajo de Newton.
De pronto empezó a quedar claro que el universo se rige con un solo juego de reglas, que no tienen por qué respetar ni nuestros principios ni nuestras perspectivas éticas, filosóficas, ni nuestras fantasías religiosas, ni nada, y que esos principios son uniformes y constantes y podemos estudiarlos aquí en la Tierra y luego los podemos aplicar al cielo.
Cuando empezamos a hacer eso de manera regular, ya desde el Siglo XVII, descubrimos, por ejemplo, que la naturaleza de la luz de las estrellas es exactamente la misma que la naturaleza de la luz que podemos producir en un laboratorio, así que los fenómenos físicos que afectan a la luz son los mismos que están ocurriendo en las estrellas. De pronto, al aprender a analizar con detalle la luz de una flama en el laboratorio, descubrimos el secreto para entender lo que sucede en el cuerpo de las estrellas y eso nos fue abriendo camino a revelar el funcionamiento básico del átomo, del funcionamiento de la materia del universo y eso nos generó una tecnología fabulosa.
Para la década de 1930 esas mismas observaciones nos llevaron a situaciones incómodas, porque a la hora de observar con gran detalle el funcionamiento y la forma en la que se mueven las estrellas alrededor del centro de las galaxias, se llegó a la conclusión de que en todas las galaxias parece existir cinco veces más gravedad que la que pueden generar todos los átomos que existen en las galaxias, a esto se le llamó Materia Obscura, por no saber de donde se origina esta materia que, aunque no es posible detectarla por todo el espectro de luz, si se puede verificar su existencia por los cálculos de gravedad de las galaxias.
Esto parecía ser un error y muchos pensaron que era un error, pero mientras más refinaban las técnicas de observación y los razonamientos para construir esas técnicas, más claro se hacía el fenómeno. Había más gravedad que la que debería existir pero, por otro lado, en el mundo de la física teórica empezaron los desarrollos en la mecánica cuántica para tratar de explicar la naturaleza de la materia.
La energía del universo se puede manifestar en más formas que las que podemos contemplar normalmente desde la Tierra. Recuerde que materia y energía son dos manifestaciones diferentes del mismo fenómeno fundamental, son dos presentaciones diferentes de la misma esencia. La materia se puede convertir en energía y la energía se puede convertir en materia. Estos razonamientos, empezaron a sugerir que la materia del universo necesariamente podría mostrarse en formas diferentes a las que conocemos. Además de la materia que conocemos, podrían existir otras formas de materia. Por lo tanto, teóricamente deberían de existir otras partículas subatómicas además de las partículas que ya eran conocidas en la década de 1950.
Hoy la materia normal está hecha de partículas subatómicas que naturalmente, forman grumos llamados átomos que a su vez forman grumos llamados moléculas. Todas las cosas tangibles del universo están hechas de esos grumos de partículas subatómicas. Pero también tanto en la teoría como en la práctica, empezó a quedar claro que existen otro tipo de partículas subatómicas que no forman grumos, pero que son, mínimo, cinco veces más abundantes. Esas partículas están dispersas y, como son tan increíblemente pequeñas y ligeras, han resultado ser indetectables hasta el momento.
Sabemos que hay muchas partículas subatómicas que tienen una influencia fundamental en la evolución del universo, por ejemplo, están los neutrinos, que son generadas en situaciones extremas como las que hay en el centro del Sol. Y estas partículas prácticamente no interactúan con la materia hecha de átomos. Por ejemplo, por cada centímetro cuadrado nos atraviesan más de 5 millones de neutrinos por segundo y esos neutrinos vienen del Sol. Para el neutrino la materia es casi completamente transparente.
Un grupo de investigadores canadienses de la Universidad de Toronto acaban de publicar un trabajo en la Revista “Journal of Cosmology and AstroParticle Physics”, donde se expone una partícula subatómica protagonista todavía mas penetrante que el neutrino. Por el momento, son partículas teóricas, sabemos que tienen que estar allí porque vemos el efecto de su gravedad, pero no conocemos sus características.
Desde que empezó a quedar clara la existencia de la materia oscura en la década de los 30 del siglo pasado, gracias al trabajo del astrónomo Fritz Zwicky, venimos buscando la naturaleza de la materia oscura y, basándose en la mecánica cuántica, se han propuesto distintos tipos de partículas subatómicas teóricas que podrían explicarla. Para esto se han hecho cálculos teóricos que sugieren que la materia obscura está hecha de partículas increíblemente ligeras, incluso más ligeras que un electrón. Un electrón es como 1000 veces más ligero que un protón o un neutrón, que son las partículas que forman el núcleo atómico. Lo que hicieron estos investigadores fue observar en mapas generados por otros estudios diferentes la distribución de las galaxias en el universo. Si hacemos un mapa de la distribución de todas las galaxias que hemos observado desde que comenzó la astronomía moderna, encontramos que el Universo parece como un panqué que tiene agujeritos y filamentos. La teoría dice que si el universo no tuviera materia obscura habría sido perfectamente homogéneo, es decir, que a la fecha no existiría vida, ni estrellas, ni planetas. Cuando mucho existirían átomos individuales que estarían flotando por allí. Difícilmente se formarían grupitos pequeños de los que podrían hacer nuevas estrellas.
El caso es que el universo desde que nació contaba con un principio que le permitió empezar a formar grumos y estos grumos o zonas en donde la densidad del gas de hidrógeno era ligeramente mayor que alrededor empezaron a ganar tamaño gracias a su gravedad. Y eso les permitió crecer, formar las primeras galaxias. El Universo nace como una burbuja de gas perfectamente homogénea. El Universo en sus primeros momentos era increíblemente pequeño, era más pequeño que el punto de una i. En ambientes ultra pequeños como en el interior del núcleo de un átomo, la fuerza de gravedad prácticamente no tiene ninguna presencia. Todos los fenómenos físicos que transcurran en el interior del núcleo de un átomo son gobernados por los principios de la mecánica cuántica.
También es bueno conocer que según los cálculos cuando nació el Universo debió formarse la misma cantidad de materia que de antimateria, y las observaciones que se han realizado, sugieren que la antimateria en el Universo es muy rara. La materia y la antimateria debieron aniquilarse y en la actualidad, pues prácticamente no debería existir un solo átomo de antimateria. Un modelo teórico resuelve este problema, que en pocas palabras dice que en circunstancias extremas la mecánica cuántica admite lo que se llama violación Carga-Paridad y permite asumir que cuando el universo era muy joven, se generó una cantidad ligeramente mayor de materia que de antimateria. Luego vino la liquidación de materia contra antimateria y quedó un pequeño residuo de materia que es el que forma todas las galaxias actuales.
De esta misma manera, con la teoría de violación de Carga-Paridad permite la creación de una partícula subatómica increíblemente pequeña que no formaría grumos. Es decir, no formaría átomos y generaría gravedad, y se generarían muchísimas partículas de este tipo que, a pesar de ser increíblemente pequeñas y ligeras, la suma de la gravedad de todas estas súper partículas subatómicas generaría una gravedad cinco veces superior a la que puede generar la materia normal. Esta partícula que fue postulada por primera vez en 1977 y es el “axión”.
El nombre de “axión” fue introducido por Frank Wilczek, escritor del primer artículo que predijo esta partícula. Wilczek buscaba un nombre para la partícula, y mientras lavaba la ropa, se fijó que el detergente que estaba usando era el axión, que era muy famoso en esa época, así que decidió ponerle ese nombre a la partícula, ya que esperaba que «limpiara» el problema de la materia y el origen de la materia obscura.
Entonces de existir los axiones, explicaría el por qué existe la materia hecha de átomos normales en el universo y por qué existe tanta gravedad que no sabemos de dónde viene. Se resolverían dos problemas muy importantes para la física y para la cosmología.
El razonamiento que hacen estos investigadores, desde luego, es bastante elaborado y va a ser necesario que los expertos lo revisen con lupa. De pronto podemos explicar la naturaleza de la materia oscura. De pronto podemos entender sin conflicto como es que apareció tanta materia en el Universo cuando sabemos que normalmente se debió formar materia antimateria en cantidades iguales.
De pronto, la sola existencia del axión permitiría validar una idea teórica que dice que en circunstancias extremas en el universo se formó más materia que antimateria y que la materia que sobrevive, que es la que nos forma nosotros, es la que quedó después de que aniquiló toda la materia con toda la antimateria que se formaron inicialmente cuando nació el universo. Y esto, a su vez, tendría otra consecuencia: resulta que de existir el axión, los elementos teóricos necesarios para explicar la teoría de las supercuerdas. Esta teoría prácticamente exige la existencia otras 6 ó 7 dimensiones más.
Así también, esta partícula predeciría el multiverso, indicaría que existen una cantidad a la n de universos que se están generando en este mismo momento. El Universo tal como lo conocemos, formaría parte de una lista infinita y siempre creciente de cosmos.
Gracias a este tipo de trabajos, podríamos crear las herramientas matemáticas fundamentales, no solamente para entender por primera vez y con un solo juego de ideas a todo el Universo que podemos observar, como nació y aunque sea en forma figurativa, asomar la cabeza más allá y ver las paredes mismas de la creación y ver lo que hay del otro lado.
Artículo
“Axion as a cold dark matter candidate: analysis to third order perturbation for classical axion”
Hyerim Noh, Jai-chan Hwang and Chan-Gyung Park 2015 J. Cosmol. Astropart. Phys. 2023 016
