Analizando el vacío cósmico

       Andaba yo pensando que hace ya un tiempo que no hablamos del Universo así que creo que ahora es el momento, porque es cierto que el avance tecnológico es cada vez más exponencial pero aún siguen existiendo dos eternas fronteras de lo desconocido bien presentes: los fondos oceánicos y el Universo.

     Con respecto a este último, hay un elemento que cada vez va siendo más acotado: el vacío. Pasemos a ver algunas cuestiones sobre él.

Pongamos un poquito de música de fondo para la ocasión:

¿Está realmente el vacío cósmico, vacío? Esa es la eterna pregunta. Y parece ser que la respuesta es un rotundo “no”. En las últimas décadas se han encontrado unas curiosas partículas denominadas “neutrinos”, sumamente ligeras, que son capaces de traspasar la materia. Interactúan débilmente entre sí y de acuerdo con los astrofísicos, forman una parte de la llamada “materia oscura” del Universo. Esta última hace referencia a ese porcentaje de Cosmos que al no emitir suficiente energía electromagnética (pues sus partículas no emiten, reflejan o absorben luz, energía), actualmente es muy difícil detectarla con nuestros aparatos pero sabemos de su existencia por cómo se comportan el resto de componentes del Universo dando a entender que hay “algo” ahí; se cree que compone el 30 % del Cosmos, aunque siempre he sido bastante escéptica en estos cálculos pues si se supone que éste es infinito, me gustaría saber cómo han efectuado su estimación, más aún cuando nada de lo hallado hasta el momento nos hace pensar que el Universo sea homogéneo; de hecho, como geóloga, precisamente me inclino a pensar en todo lo contrario (extrapolando lo conocido, por ejemplo sabemos los componentes de un granito pero no existen dos muestras exactamente iguales).

Siempre me he imaginado el Universo como una roca granítica, con sus componentes –siendo los mismos- distribuidos tan caprichosamente que nunca se encuentran dos secciones exactamente iguales. Galaxia (izda), Granodiorita (dcha, roca granítica compuesta por cuarzo –semitransparente-, feldespatos –blancos y color carne- y micas, oscuras, fundamentalmente).

                Antes de proseguir, debo informar a los lectores que nos adentramos en el campo de la Mecánica Cuántica, denominada así por el descubrimiento que efectuó en 1900 el físico alemán Max Karl Ernst Ludwig Planck al investigar los fotones, demostrando que a nivel subatómico la energía se transmite de modo discontinuo, en forma de pequeños paquetes a los que llamó “cuántos”, mediante radiación (esto es, emisión repentina de un cuánto). Y de nuevo le encuentro la equivalencia geológica puesto que en la naturaleza las rocas van soportando tensiones de todos los materiales que le rodean, soportan y sostienen, hasta que superan su límite elástico y es entonces cuando se rompen, emitiendo esa energía (la ley universal de la mecánica: acción-reacción). Entonces se genera una falla, una fractura, y esa energía da lugar a un terremoto, que se transmite mediante las ondas sísmicas a través del espacio hasta que su energía se disipa totalmente. Es como un elástico que estamos alargando; aparentemente todo está estático hasta que de pronto se rompe al superar su límite tensional y nos golpea con la misma fuerza que le estábamos aplicando e iba acumulando. ¡Las leyes físicas nos rodean y los fractales son una evidencia reproduciendo a pequeña escala cuánto ocurre a gran escala!, ya lo diría el filósofo chino Confucio: “los que movieron montañas comenzaron moviendo guijarros”.

Pues bien, todos los trabajos de Planck le valieron un premio Nobel de Física, en 1918, pero lo más importante es que abrió la puerta a un extraordinario mundo microscópico de fuerzas, energías y partículas que seguirían otros físicos como  Werner Heisenberg, Max Born, Erwin Schrödinger y Albert Einstein, entre otros.

Actualmente este campo se ha visto notablemente reforzado mediante la llamada coloquialmente “Máquina de Dios”, el Gran Colisionador de Hadrones (en inglés Large Hadron Collider, LHC) consistente en un ingente acelerador y colisionador de partículas, construido cerca de la ciudad de Ginebra (Suiza), por la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN, que toma de las siglas de su nombre en francés, Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire). Como su nombre señala, esta colosal estructura tiene la intención de replicar a pequeña escala los procesos que se supone que se generan y ocurrieron en el Universo, ahí es nada.

Como se observa, todo es descomunal en “la máquina de Dios” (LHC), resaltando en la fila inferior mediante elipses las personas, para hacernos una idea de la escala. En la imagen superior se comparan las instalaciones construidas con las que se prevén añadir y que ha creado la voz de alarma entre la población.

El problema que surge para muchos retractores es el riesgo de que muchos científicos, en su afán por descubrir, pierdan el norte de la ética o de la precaución y jueguen a ser Dios sin llegar realmente a conocer el alcance de aquello que están generando. Para ser más concreta, me estoy refiriendo a la enorme polémica que ha levantado el proyecto que trata de crear a pequeña escala, un agujero negro. Para los físicos y científicos del equipo multidisciplinar implicado, todo lo tienen bajo control, pero para los retractores… ¿y si no?. Particularmente tengo la opinión dividida. No negaré que estoy realmente expectante con respecto a cada pequeño paso que den en este sentido y cada descubrimiento que realicen, pero instintivamente mi cabeza me advierte ponerme en guardia al entrar a desencadenar un sistema de fuerzas y energías cuyas variables se escapan totalmente al cerebro humano, que es limitado, por mucho que nos resistamos a creerlo. Porque si la teoría de los fractales es cierta, y para mí lo es, si a pequeña escala ocurre exactamente lo mismo que a mayor escala… sabemos que a gran escala los agujeros negros del Universo son enormes aspiradores con tal capacidad de ingerir todo aquello que les rodea que es imposible frenarlo; únicamente se puede echar a correr en dirección contraria y esperar a que su energía se vaya equilibrando, neutralizando y disipando. Así pues, ¿realmente deseamos reproducir un agujero negro, por pequeña escala que sea la empleada, en pleno corazón de Suiza? Seamos realistas, ¿pararían a esa escala? Yo soy científica, investigadora y conozco el placer que se obtiene cuando a pequeña escala se realiza un experimento que es todo un éxito; sé bien que el siguiente paso es ampliar ligeramente la escala usada y volver a reproducir el experimento; es adictivo, no puede pararse. Y mucho me temo que estos investigadores entren en esa fase. Hay que tener la cabeza muy fría para poder distanciarte y decirte “hasta aquí, el resto ya lo veremos conforme avance la tecnología”.  Hay cosas que son mejor no tocallas….

Pero en fin, regresemos al vacío cósmico. En 1956, los científicos Clyde Cowan y Frederick Reines bombardearon agua pura (esto es, los átomos que la componen, H₂O) con un haz de 10¹⁸ neutrones por segundo y comprobaron que se emitían fotones, de manera que demostraron que existía algún elemento más difícil de detectar, denominado neutrino. Actualmente se reconocen tres tipos de neutrinos (o “sabores”, como los denominan los físicos), pero no vamos a entrar en ello. Lo que sí quiero mencionar es el conjunto de partículas que se reconocen en este nivel subatómico de la mecánica cuántica. Como todos sabemos, la materia está compuesta por átomos y éstos a su vez se componen de tres elementos tradicionales: en el núcleo atómico el neutrón (sin carga eléctrica negativa ni positiva, de ahí su nombre), el protón (con carga positiva) y girando en torno a este núcleo, el electrón (con carga negativa). Y por medio…vacío….o no. En este punto encontramos un primer aspecto filosófico a considerar ya que ¿qué es la realidad? Porque nosotros, constituidos por átomos, nos consideramos sólidos y sin embargo entre nuestros átomos hay más vacío que materia. Curioso, ¿no? Llevemos la reflexión de nuevo a nivel geológico. Consideremos la encimera de granito de la cocina. Más sólido imposible. Y sin embargo veamos cómo es la estructura de uno de los minerales cualquiera:

Imagen en detalle de granito (izda, con los feldespatos –tectosilicatos- blancos y color salmón en primer plano, junto con la oscura mica) y disposición atómica de un tectosilicato (dcha) mostrando el espacio vacío, en blanco.

                Entonces, ¿por qué si nos disparan, la bala no pasa a nuestro través? Evidentemente, por la escala. Consideremos que el tamaño de estos átomos y de sus huecos es nanométrico y que una bala, por pequeña que sea, presenta una superficie muchísimo mayor; sería como lanzar un contenedor de barco contra una copa de cristal, segurísimo que la trituraría.

                Pues bien, a nivel cuántico, por debajo (en escala, me refiero) del átomo están las partículas subatómicas que pueden ser simples o elementales, o compuestas que están conformadas por varias (los quarks, por ejemplo, se conforman por protones y neutrones; serían los núcleos atómicos, por así decirlo y su “corteza” o capa externa con los electrones corresponde a los llamados leptones y existen 6 tipos que no veremos; ambas “partes” del átomo, quarks o núcleos y corteza o leptones se denominan fermiones). Entre las partículas subatómicas compuestas están los quarks, los leptones, pero también los piones (llamados así porque se representan mediante el símbolo pi griego) siendo “el pión” la denominación dada conjuntamente a tres partículas subatómicas: π⁰, π⁺, π⁻, según sea su carga eléctrica. A nivel de curiosidad, diremos que son sumamente inestables destacando en inestabilidad los piones neutros, que poseen una vida media de 8,4 × 10⁻¹⁷ segundos, desintegrándose rápidamente en dos fotones en forma de rayos gamma. Si lo menciono es para que el lector se haga una idea de lo sumamente complicado que resulta trabajar en el mundo de la mecánica cuántica, requiriéndose instrumentos sumamente precisos. Huelga decir que existen aún elementos más minúsculos, pero dejémoslo aquí, por el momento.

Desde el punto de vista de la física de partículas, los quarks (“núcleos” de los átomos) son los fermiones o partículas elementales, masivos, que interactúan fuertemente entre sí conformando la materia nuclear y ciertos tipos de partículas conocidas como hadrones (toman su nombre del vocablo griego “fuerte” pues se considera que un “hadrón” es una partícula subatómica constituida por quarks unidos por una fuerte interacción nuclear, en esa gran fuerza interactiva intervendría una partícula de carga aún más pesada que la de un electrón y que en 1935, el  físico nuclear japonés Hideki Yukawa, la denominó mesón haciéndola responsable de estas fuerzas tan ingentes); junto con los leptones, son los integrantes fundamentales de la materia bariónica (la materia visible).

                Como vemos, todos estos elementos conforman la materia, que incluye a la llamada materia visible (también llamada materia ordinaria o bariónica) porque se ha ido comprobando que existe otra materia que no se ve, así como a la no visible, que como adelantábamos más arriba, es la materia oscura, que se cree que compone el 30 % del Universo y que, solo en nuestra Galaxia, supondría 800.000.000.000 veces la masa del Sol en peso.

                Pues bien, ahora damos un giro más de tuerca porque así como se ha visto que la materia visible tiene su contrapartida en la materia oscura; los científicos han comprobado que la materia en sí (la visible y la oscura) posee a su vez su contrapartida en la antimateria, que sería igual pero opuesto a la materia. Así por ejemplo, un protón (partícula subatómica de carga positiva) tiene su correspondiente antiprotón (partícula subatómica con igual masa que un protón pero con carga negativa) e igual ocurre con todo, incluso curiosamente con un neutrón, que tiene su antineutrón (con la misma masa que un neutrón, y ninguna carga eléctrica neta, aunque se le considera un número bariónico opuesto, siendo +1 para el neutrón, y −1 para el antineutrón).

                La materia visible puede encontrarse en estado sólido, gaseoso o líquido, si bien lo más frecuente es que aparezca en estado de plasma debida a las elevadas condiciones de presión y temperatura a las que está expuesta, conformando soles (estrellas).

Plasma de estrellas.

               

Por su parte, la materia oscura se considera compuesta en un pequeño porcentaje, por neutrinos y éstos, como todas las partículas que existen, poseen un giro (es decir, no están quietas, estáticas). Estos giros, denominados spin o espín, es intrínseco a las partículas y moléculas (compuesto de partículas), existiendo zurdas y diestras. Y de nuevo añadiré una curiosidad pues, ¿sabía el lector que nuestro organismo es capaz de digerir únicamente las moléculas levógiras, zurdas, por así decirlas)? Curioso, ¿no?.

                Regresando a los neutrinos, se les observaba una forma tan peculiar de girar que por fuerza debía estar implicado otro elemento. Ahí fue cuando se desarrolló todo el amplio espectro de la antimateria y sus antipartículas, algunas de ellas idénticas a sus equivalentes. Es el caso del fotón y antifotón, que al carecer de carga los hace similares (salvo que se quiera rizar el rizo con las cargas bariónicas, pero eso ya es para nota). Como se observa, la materia oscura está compuesta en parte por neutrinos que a su vez nos muestran que tienen una compañera de baile (en su giro) en la antimateria; por tanto, la antimateria no es sinónimo de materia oscura, ojo con no liarnos.

                De acuerdo con la Ciencia, el Big Bang dotó al Universo de igual número de partículas dextrógiras que levógiras, independientes y sin masa. Es entonces cuando entran en escena las famosas  bosón de Higgs, un tipo de partícula elemental que se unió tanto a las levógiras como a las dextrógiras confiriéndoles masa. De esta manera, partículas como los electrones adquirieron masa y comenzaron las reacciones tanto por efecto de las cargas electromagnéticas como por la atracción de la masa. De esta forma comenzó a generarse la materia en el Universo primitivo. Así comenzaron a formarse zonas de materia oscura que atraían hacia sí a cantidades de polvo y gas que se encontraba disperso cerca, generando un campo gravitatorio débil pero que iba ganando fuerza conforme se iba añadiendo más materia y de esta forma comenzaron a formarse los primeros cúmulos de estrellas o protoestrellas.

                Así las cosas, el reto actual que se plantea es poder llegar a conocer en qué lugar existe una concentración de materia oscura que esté comenzando a acaparar materia y energía, dado que no emite energía electromagnética alguna y por tanto no puede detectarse (recordemos que la luz es un tipo de energía electromagnética). ¿La solución? Aplicar de nuevo las técnicas de nuestros antepasados: la búsqueda en negativo, detectar lo que está y no vemos, gracias al comportamiento extraño de los que sí vemos. Me explico. En circunstancias normales, el espacio-tiempo es plano de forma que la luz viaja siempre en línea recta. No obstante, cuando introducimos una masa, el espacio-tiempo se curva por la atracción que ésta genera y entonces la luz sigue la curvatura del espacio adaptado a esa masa, exactamente igual que la bolsa de red usada con las naranjas. De esta manera, la distorsión gravitacional que esa masa ha causado permite a los astrónomos detectar el lugar donde se encuentra esta nube de materia generada por la materia oscura únicamente con observar las curvaturas trazadas por la luz. A este fenómeno se le denomina lente gravitacional (a “mi malla de naranjas”).

Esquema de una lente gravitacional. Cuando observamos una galaxia, nos parece que se encuentra más cerca de lo que realmente está por el efecto de distorsión que sufre la luz (rayos rojos) creándonos una falsa apariencia (rayos rosas).

                Este efecto de lente gravitacional nos crea imágenes lenticulares de las galaxias y de las estrellas que observamos debido a que la luz sufre una modificación en su trayectoria por el efecto de la masa de la estrella, distorsionándola como si fuera una malla. Veamos la siguiente figura, izquierda:

 

Vemos que en línea recta con respecto a la Tierra se encuentra una galaxia pero como la luz (la imagen de galaxia) sufre una distorsión por el efecto de la masa de la galaxia, nos parece que la galaxia se ubica a los dos lados de su posición verdadera. Así pues se crea el fenómeno denominado “la cruz de Einstein” (figura anterior, derecha) y que consiste en “el reflejo” de cuatro imágenes de la galaxia que se localiza realmente en el centro pero como la galaxia es tan masiva, el efecto de lente gravitacional está muy acentuado.

                Ahora bien, regresando a los neutrinos, éstos no se comportan como el resto de partículas pues no se conoce ningún neutrino dextrógiro, pero sin embargo los neutrinos (que son todos levógiros) tienen masa así que, ¿cómo la adquirieron si no se tiene constancia de que exista su opuesto para que al combinarse con él hubiera obtenido tal masa? Por tanto, ¿está esta partícula por descubrir o es un tipo de antimateria que se combinaría con la materia oscura para generar masa? He aquí un gran enigma y reto para la Ciencia, ¿cómo adquirió su masa el neutrino dextrógiro?.

                La hipótesis que por el momento parece más pausible es que el neutrino dextrógiro sea sumamente inestable y muy difícil de detectar, pero tal vez el neutrino diestro se rompa emitiendo un destello visible de rayos X generando un neutrino levógiro estable y el cuánto de energía liberada. Esta idea parte del análisis de las radiaciones X emitidas por las galaxias en las que una parte de estas radiaciones emitidas se ha encontrado anómala, en la frontera entre el mundo visible y el de las sombras. ¿Estará ahí la respuesta a nuestra pregunta?.

                Por tanto, regresando al inicio de esta entrada, se ha visto que el vacío cósmico ni mucho menos se encuentra invadido por la nada, sino que cuenta con materia más o menos dispersa y energía tanto electromagnética, como energía oscura (que es como se denomina a la que no es electromagnética, como la luz), tal como se observa en la imagen superior izquierda. Igualmente se ha explicado cómo la Ciencia considera actualmente que surgió la materia en el Universo.

Con respecto a la energía electromagnética, tanto los soles como otros componentes del Universo generan radiaciones pero afortunadamente los polos magnéticos de nuestro planeta han generado una atmósfera superior electromagnética, la Ionosfera, que nos protege de las radiaciones cósmicas tal como se observa en la figura superior derecha. Esta capa más externa es la responsable del maravilloso efecto luminoso que se genera en los cielos y que es más visible cuánto más de noche y en latitudes más polares nos encontremos.

                Y como no lo puedo evitar, permítanme un último aporte geológico. Las erupciones volcánicas son auténticas máquinas generadoras de materia y energía en la Corteza Terrestre de nuestro planeta, de manera que libera material tanto en forma sólida (bombas volcánicas), líquida (lava) como gaseosa. En este último estado, las partículas están sumamente excitadas por las altas temperaturas y presiones a las que se han visto sometidas, de manera que es frecuente que haya erupciones volcánicas acompañadas de fuerte aparato eléctrico (rayos y centellas, literalmente hablando). Pues bien, en las grandes erupciones volcánicas históricas de las que se tiene registro se sabe que se llegó a liberar a la atmósfera tal cantidad de iones y cationes, y la columna de cenizas y gas alcanzó tal altura, que se registraron visiones de auroras boreales en áreas como Londres o París.

Soberbias imágenes de erupciones volcánicas acompañadas de aparato eléctrico. El poder de la naturaleza en toda su magnitud.