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La materia oscura no debe ser confundida con la energía oscura ni con la antimateria.
La energía oscura, como energía que es, permea el universo conocido, mientras que la materia oscura se encuentra de manera puntual, formada por partículas.
La antimateria es materia con carga opuesta a la de la materia bariónica (básicamente, átomos y sus subpartículas). Responde ante las cuatro fuerzas fundamentales; fuerza nuclear fuerte, fuerza nuclear débil, electromagnetismo y gravedad.
La materia oscura es un tipo de materia que no responde al electromagnetismo ni a la fuerza nuclear fuerte, ni a la nuclear débil. Es virtualmente indetectable de forma directa. De hecho, solo sabemos de su existencia por la fuerza gravitatoria que ejerce "algo" sobre grandes cuerpos celestes, como galaxias y agrupaciones de las mismas y por irregularidades en la radiación de fondo de microondas. En ella hay interacciones débiles con fotones, que no son propias de la materia común o bariónica.
Los estudios de la densidad crítica del universo, le han calculado unos cinco protones por metro cúbico, y con la materia visible no se cubre ni de lejos esa cantidad. El movimiento de galaxias y las irregularidades de la radiación de fondo de microondas predicen que hay 6 veces más materia de la detectable. Se estima que hasta un 23% es materia oscura. Para haceros una idea, los átomos, que en la realidad en la que nos movemos lo son todo, sólo suponen un 4% de la materia estimada total en el universo.
Esta materia oscura se subdivide "grosso modo" en materia oscura caliente y materia oscura fría.
La primera estaría formada por partículas que se mueven a gran velocidad, como los neutrinos, cuya principal fuente de emisión son las estrellas, y que nos atraviesan a cada segundo.
De hecho, los neutrinos, lo atraviesan todo, ya que apenas interactúan con la materia. Se necesitaría un bloque de plomo de un año luz de longitud (9.4 billones de kilómetros), para que un neutrino se topase con uno de los átomos de plomo.
No obstante, esa velocidad relativista implica también muy poca masa, por lo que se cree que la mayor parte de materia oscura, es fría. Esta materia oscura la conformarían partículas muy masivas, casi inertes y difícilmente detectables. De hecho algunos científicos creen que la materia oscura fría podría hallarse a la temperatura de 0 Kelvin, el cero absoluto, lo que significa que las partículas que la formen no vibrarían ni se desplazarían. Eso ayudaría a su camuflaje en gran medida. Para este tipo de materia oscura fría, ver WIMPs y MACHOs.
Hay teorías que postulan que la materia oscura no sería nada de eso, sino partículas bien conocidas. En concreto átomos de hidrógeno y helio distribuidos por el espacio en lo que se conoce como gas interestelar e intergaláctico. Solo que mucho más abundante de lo que se creía. Este gas es difícilmente detectable teniendo tan poca agitación atómica. (1)
E incluso, algunos científicos piensan que la materia oscura no existe, que sería efecto de una polarización de la gravedad del vacío cuántico. (2)
Explicado de manera llana, resulta que en el vacío "absoluto" por el principio de incertidumbre de Heisenberg, aparecen y desaparecen pares materia-antimateria. Si la antimateria no se diferenciase de la materia solo por la carga sino también por ser repelida y no atraída por la gravedad, se podría explicar el movimiento y la fuerza gravitatoria de las galaxias -que piden a gritos la existencia de más materia de la que se ve-.
Aparecen dipolos constantes en el vacío de antimateria antigravitacional no orientados. Si aparece un campo electromagnético, puede orientar y estabilizar esos dipolos, por lo que las galaxias podrían ordenar un campo de antimateria que mantuviese las estrellas en cohesión, sin desestructurarse, y a los grupos de galaxias unidos.
Así se satisface la explicación de la existencia de grandes estructuras en el universo, imposibles de recrearse solo con materia común bariónica.
La antimateria que aparece y desaparece constantemente en el vacío, sería un pegamento que aportaría virtualmente esa masa o densidad de energía necesarias en el total del universo, por lo que la materia oscura dejaría de tener sentido.
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La antimateria es materia (no deja de serlo) compuesta por partículas de carga opuesta a las que componen la materia común. A cada partícula que constituye la materia le corresponde su antipartícula que constituye antimateria.
La antipartícula del protón (constituyente del átomo y de carga positiva) es el antiprotón (carga negativa). A su vez, la del electrón (-) sería el positrón (+).
Si un protón y un electrón constituyen el átomo de hidrógeno, un antiprotón y un positrón constituirían un átomo de antihidrógeno.
Cabe destacar que la interacción materia-antimateria, produce la aniquilación de ambas en forma de fotones (luz) muy energéticos (Rayos Gamma).
Todo esto parece un juego de equilibrios de carga a escala del universo, pero entonces, ¿por qué la antimateria suena a ciencia ficción?
Porque la realidad es que hay una abismal asimetría materia-antimateria.
Los modelos descriptivos del Big Bang, asumen que cuando el universo se estaba gestando, se creaba materia y antimateria a partes iguales.
Una de las mayores incógnitas de la ciencia es qué causó esta asimetría y por qué lo hizo. Hoy día se piensa que la antimateria no es un "espejo" perfecto de la materia, que debe de haber diferencias sustanciales entre ellas que hayan llevado a la prevalencia de la segunda.
Por ejemplo, que las propiedades de la antimateria hagan que la materia oscura interactuase de manera distinta con ella que con la materia, y se extinguiese en gran parte. Otra posibilidad es un desequilibrio de una partícula de materia excedente por cada diez mil millones de antimateria, que a largo plazo hubiese condenado a la segunda.
Los procesos de aniquilación de antimateria en contacto con materia y su escasez hacen difícil su estudio, no obstante, se lograron aislar átomos de antimateria durante un corto periodo de tiempo mediante magnetismo para su estudio (1).
A largo plazo, los científicos tal vez puedan dilucidar las claves de su esencia y ésto llevará a responder el por qué la realidad que observamos está hecha de materia en su mayor parte.
Otra noticia de interés, es el reciente descubrimiento de antimateria -concretamente antiprotones- en una fina capa de la atmósfera a gran altura (2), que envuelve a la Tierra. A menor altura, los protones y éstos se aniquilan, pero parece ser que en esa región no se producen interacciones materia-antimateria y se conservan estas antipartículas.
Algunos ya ven un filón de nuevas energías de propulsión para viajes interplanetarios o incluso interestelares, basado en esos antiprotones.
(1)http://www.bbc.co.uk/mundo/noticias/2010/11/101117_antimateria_cientificos_capturan_lav.shtml
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El Big Bang fue el suceso que dio lugar al espacio y al tiempo tal y como los podemos concebir. Por tanto, de él surgió el universo.
Cabe destacar que hay multitud de teorías -que se explicarán en otras entradas del blog- que postulan sucesos acontecidos antes del Big Bang, o incluso que haya habido infinitos universos anteriores, surgidos a su vez de infinitos Big Bangs.
Se ha podido determinar que el Big Bang que dio lugar a nuestro universo -obviando posibles universos previos- sucedió hace 13 700 millones de años. El margen de error del cálculo es de +/- 0.2 miles de millones de años, es decir, 200 millones de años.
Ver: cálculo de la edad del universo.
Toda la materia y energía se concentraban en un punto de densidad y temperatura increíblemente elevadas, prácticamente incalculables, y de volumen ínfimo.
En un momento dado, 10^-35 segundos después del tiempo de Planck(1), se produjo el periodo inflacionario, el Big Bang propiamente dicho. La expansión se produjo porque el universo poseía la propiedad de falso vacío, de presión negativa y que es regida por una fuerza repulsiva, una antítesis de la gravedad.
El universo se expandió de manera exponencial, enfriándose y perdiendo densidad del mismo modo, hasta conformar una sopa de partículas. Las primeras fueron los quarks y los gluones(2).
Más tarde se produjo la bariogénesis (formación de la materia bariónica). Los quarks dieron lugar a protones y neutrones, en un proceso que rompió el equilibrio de materia y antimateria. También se formaron electrones y fotones.
300 000 años más tarde, protones, neutrones y electrones darían lugar a los primeros átomos (se formaron núcleos de deuterio y helio, primeros elementos). La disminución de temperatura y densidad del universo hizo posible que los fotones pudiesen viajar libremente sin colisionar contra electrones, de algún modo, el universo se hizo en ese momento "transparente" a la luz.
Desde ese momento, unos 380 000 años después del Big Bang, existe la radiación de fondo de microondas, principal prueba empírica de que el Big Bang fue real.
Las fluctuaciones en la densidad de materia creada, determinaron qué puntos poseían mayor fuerza gravitatoria, y a partir de éstos se desarrollaron en el transcurso de cientos de millones de años, las primeras nebulosas, estrellas y galaxias. De un modo análogo, las zonas de la atmósfera con más materia particulada, conforman puntos de acumulación de humedad, que más tarde forman nubes.
(1)El tiempo de Planck, es el mínimo de tiempo tras el Big Bang en el que la física tal como la conocemos puede explicar los fenómenos que sucedían. Menos de un tiempo de Planck después del Big Bang, no se pueden explicar dichos sucesos de manera satisfactoria.
(2)Los quarks se agrupan en tríos para formar protones y neutrones, mientras que los gluones (del ingles "glue", pegamento) mantienen unidos a los propios quarks.