Ya está disponible el audio del podcast de Eureka, mi sección en La Rosa de los Vientos de Onda Cero. Como siempre, una transcripción, unos enlaces y algunas imágenes.
La investigadora Laura Tolós, del Instituto de Ciencias del Espacio (IEEC-CSIC), en Barcelona, y el profesor Juergen Schaffner-Bielich, de la Universidad de Frankfurt (Alemania), han publicado como hipótesis la existencia de planetas compactos, con masas similares a la de Júpiter o la Tierra, pero muchísimo más pequeños. Este nuevo tipo de objeto astronómico ocultaría gran cantidad de materia oscura en su interior, aunque estaría rodeada de materia ordinaria, lo que los haría visibles. Tras la propuesta teórica, ahora es el turno de los astrónomos, que iniciarán su búsqueda mediante telescopios.
El artículo es Laura Tolós, Jürgen Schaffner-Bielich, «Dark compact planets,» Phys. Rev. D 92: 123002, 8 Dec 2015, doi: 10.1103/PhysRevD.92.123002, arXiv:1507.08197 [astro-ph.HE]. Más información divulgativa en «¿Existen planetas con materia oscura?» Agencia SINC, 11 Dic 2015.
Sobre estrellas oscuras, cito a Douglas Spolyar, Katherine Freese, Paolo Gondolo, «Dark matter and the first stars: a new phase of stellar evolution,» Phys. Rev. Lett. 100: 051101, 2008, doi: 10.1103/PhysRevLett.100.051101, arXiv:0705.0521 [astro-ph]. Más información divulgativa en Tom Siegfried, «In Search of Dark Stars,» Quanta Magazine, 22 Jul 2014. Sobre galaxias oscuras, recomiendo Robert Minchin et al., «A Dark Hydrogen Cloud in the Virgo Cluster,» Astrophys. J. 622: L21-L24 (2005), doi: 10.1086/429538, arXiv:astro-ph/0502312.
El 80% de la materia del universo es materia oscura, que no puede emitir luz. Las estrellas y los planetas están formados por materia ordinaria, que puede emitir luz. ¿Podrían existir planetas formados por materia oscura? La materia ordinaria que forma las estrellas y los planetas está formada por partículas como protones, neutrones, electrones y neutrinos. Esta materia ordinaria se suele llamar materia bariónica porque el 99,95% de su masa corresponde a la de los protones y de los neutrones, que son partículas llamadas bariones, formadas por tríos de quarks. La materia bariónica puede emitir luz porque los quarks y los electrones tienen carga eléctrica. Mucha gente piensa que la materia oscura es algo muy misterioso y que los físicos no saben nada de nada sobre este tipo de materia. Pero no es cierto, conocemos muchas propiedades de la materia oscura. Sabemos que está formada por partículas que son neutras, no tienen carga eléctrica, y por eso no pueden emitir luz como la materia ordinaria. Las partículas fundamentales son los objetos físicos más simples posibles y tienen muy pocas propiedades. Para conocer la física en detalle de la materia oscura basta conocer la masa de la partícula y su acoplamiento al resto de las partículas.
La observación indirecta de la materia oscura gracias a la gravedad nos permite estimar su densidad, lo que nos permite estimar un rango posible para sus masas. Además, la materia oscura tiene un efecto sobre las grandes estructuras del universo, lo que permite estimar un rango posible para sus constantes de acoplamiento. Gracias a ello podemos estudiar la estabilidad de la materia oscura y la posibilidad de que haya materia oscura en el interior de las estrellas y de los planetas. Esta semana han sido noticia dos físicos teóricos, la española Laura Tolós, del Instituto de Ciencias del Espacio (IEEC-CSIC), en Barcelona, y el alemán Juergen Schaffner-Bielich de la Universidad de Frankfurt (Alemania). Han propuesto un nuevo tipo de objeto astronómico que tiene materia oscura en su núcleo y materia ordinaria en sus capas externas. La masa de estos objetos se estima entre la de la Tierra y la de Júpiter, por ello han bautizado estos objetos hipotéticos como planetas oscuros. La masa de estos exoplanetas estaría dominada por la materia oscura de su núcleo y serían visibles gracias a la materia de sus capas externas. Ahora le toca al turno a los astrónomos que tratarán de buscar señales de la existencia de estos planetas oscuros en nuestra galaxia.
La existencia de planetas oscuros nos hace pensar en la existencia de estrellas oscuras, estrellas formadas en su mayor parte por materia oscura, que sean visibles gracias a la materia ordinaria de sus capas exteriores. ¿Pueden existir las estrellas oscuras según el trabajo de estos físicos? Por supuesto. De hecho, el trabajo de la española Laura Tolós y del alemán Juergen Schaffner-Bielich sobre planetas oscuros publicado esta semana en la revista Physical Review D se inspira en trabajos previos sobre la existencia de materia oscura en el interior de todas las estrellas y de todos los planetas. La mayoría de los físicos considera que la partícula que es el mejor candidato a la materia oscura es una partícula neutra, de gran masa (entre diez y cien veces la masa del protón) y que interacciona con el resto de las partículas mediante la fuerza débil. Esta interacción débil es la misma que acopla los neutrinos con el resto de las partículas. Igual que los neutrinos son partículas fantasma que atraviesan constantemente nuestro cuerpo sin que notemos nada, estas partículas masivas que interaccionan débilmente (llamadas WIMP) también están atravesando nuestro cuerpo constantemente. Ahora mismo todos tenemos en nuestro interior neutrinos y partículas de materia oscura que nos están atravesando. Las estrellas como el Sol tienen tanta masa que pueden acumular en su núcleo partículas de materia oscura. Una de las propiedades físicas de estas partículas es que son idénticas a su antipartícula. Esto significa que cuando dos partículas colisionan se aniquilan y producen radiación (luz y calor).
La aniquilación de las partículas de materia oscura en el núcleo del Sol debe emitir rayos gamma de alta energía y hay varios observatorios terrestres y telescopios espaciales que están buscando señales. Todavía no se ha observado ninguna, pero la búsqueda continúa. En el año 2007 se publicó la hipótesis de la existencia de estrellas cuyo calor interior está generado por la aniquilación de las partículas de materia oscura en su núcleo. Estas estrellas oscuras, cuya masa es debida a la materia oscura, estarían rodeadas de enormes nubes de hidrógeno y helio. Su radio se estima entre 4 y 2000 veces la distancia entre la Tierra y el Sol. Estas estrellas oscuras tienen una vida muy corta y hoy en día es improbable que hayan sobrevivido muchas. La observación de los planetas oscuros y de las estrellas oscuras representa un gran desafío. Sin embargo, los telescopios espaciales de rayos gamma están buscando señales de estos cuerpos hipotéticos y también se están tratando de detectar de forma indirecta mediante la técnica del efecto de lente gravitacional débil. Su descubrimiento nos daría información muy útil sobre las propiedades de la partículas de materia oscura.
La hipótetica existencia de planetas y estrellas formados por materia oscura nos lleva a pensar en galaxias formados por materia oscura. ¿Qué se sabe sobre la posible existencia de galaxias oscuras? Según nuestro conocimiento actual sobre la formación de las primeras galaxias, la materia oscura jugó un papel fundamental. A gran escala el universo se parece mucho a la espuma de jabón del baño. Hay grandes vacíos separados por películas donde se acumula la materia, la llamada web cósmica. El 80% de la materia de la web cósmica es materia oscura y se forman grupos, regiones de mayor densidad, que atraen al 20% restante, la materia ordinaria en forma de gas difuso. Hay simulaciones por ordenador de la formación de estas grandes estructuras del universo que usan superordenadores como el español Marenostrum del Centro de Supercomputación de Barcelona (BSC). Los grupos de materia ordinaria se ponen a rotar alrededor de los grumos de materia oscura y como la gravedad es una fuerza atractiva acaban colisionando y formando grumos de mayor tamaño. Para ello la materia ordinaria tiene que perder energía y momento angular, lo que logra emitiendo radiación. La materia oscura no puede hacerlo porque no puede emitir luz. A partir de estas regiones con alta densidad de materia ordinaria se acaban formando los cúmulos galácticos y las galaxias.
El rol de la materia oscura en este proceso de formación galáctico lo comprendemos muy bien y sabemos que todas las galaxias se encuentran en el centro de grandes nubes de materia oscura con forma más o menos esférica. No se pueden formar galaxias de materia oscura similares a las galaxias de materia ordinaria. Pero según las simulaciones por ordenador en ciertas regiones con baja densidad de materia ordinaria se pueden formar grandes extensiones materia oscura que rotan alrededor de un núcleo más denso. Estas regiones más o menos esféricas se llaman galaxias oscuras. No son galaxias formadas por estrellas oscuras ni planetas oscuros. Se llaman galaxias oscuras pero se parecen más a nubes de materia oscura, pues no tienen estrellas. Estas hipotéticas galaxias oscuras predichas por las simulaciones mediante supercomputadores no han sido observadas porque no emiten luz y están demasiado lejos para que podamos observar la radiación gamma que produce la aniquilación de sus partículas de materia oscura. Aún así, se espera que futuros telescopios espaciales de rayos gamma dediquen parte de su tiempo a la búsqueda de estas galaxias oscuras.
La materia oscura es una de las cosas más misteriosas de la física moderna. La mayor parte de lo que existe en el Universo no está hecha de la misma materia que nosotros. ¿Qué pruebas existen de que la materia oscura es realmente materia y no es otra cosa? Lo primero que debemos darnos cuenta es que la materia oscura no es algo misterioso per se, no emite ningún tipo de radiación electromagnética, pero lo mismo le pasa a los neutrinos. Hemos observado los efectos de la materia oscura en las galaxias, en los cúmulos galácticos, en las grandes estructuras del universo y en el fondo cósmico de microondas. Todas estas observaciones se pueden entender usando las mismas propiedades para un tipo de materia que interaccione a través de la gravedad igual que la materia ordinaria. Luego sabemos que la causa es un tipo de materia, pero también sabemos que no está formada por ninguna de las partículas que conocemos, por ello tiene otro nombre, materia oscura. La evidencia sobre la materia oscura es realmente abrumadora. No hay ninguna modificación de la ley de la gravedad que pueda explicar lo que observamos gracias a lentes gravitacionales débiles en galaxias y cúmulos galácticos, las fluctuaciones de temperatura observadas en el fondo cósmico de microondas, o la formación de las galaxias y de las grandes estructuras del cosmos.
Lo apasionante de la física de partículas es que hay indicios de la existencia de nuevas partículas que aún no hemos observado. Uno de estos indicios es la existencia de la materia oscura, pero hay muchos otros. Por ello hay decenas de experimentos que buscan detectar señales directas de la partícula responsable de la materia. Es cierto que aún no la hemos detectado, pero todavía queda muchísimo hueco por explorar. Llevamos sólo dos décadas de búsqueda intensa de la materia oscura. Al ritmo al que avanza la física fundamental es poco tiempo. El bosón de Higgs fue predicho en 1964 y lo hemos encontrado en el año 2012. Todos deseamos que se descubra la partícula de materia oscura cuanto antes. Pero hay que ser pacientes. Estamos avanzando poco a poco, pero con paso firme. Lo más apasionante de la ciencia es el proceso que nos lleva a un descubrimiento. Los momentos eureka son los que motivan a los científicos. Pero el trabajo diario es un proceso de exploración de lo desconocido y es realmente apasionante. En mi opinión, las primeras señales directas de la partícula de materia oscura aparecerán la próxima década y todo su misterio será desvelado.
Si se ha podido determinar un rango estimado para la masa de una particula de mareria oscura se podria aventurar un peso para un volumen de , por ejemplo, un centimetro cubico?
Como siempre estupendos tus articulos
Un saludo.
Javiolum, supongo que cuando preguntas por el peso te refieres a la masa (no es lo mismo y el peso depende del campo de gravedad donde midas la masa) y cuando preguntas por peso para un volumen te refieres a la densidad. En el Sistema Solar se estima que la masa de materia oscura es del orden de 0,3 GeV/cm³ (recuerda que un átomo de hidrógeno por centímetro cúbico sería 1 GeV/cm³).
Vaya, repito mi comentario del 2 de julio de 2015 en esta misma página:
«Y si hay galaxias de materia oscura, ¿puede haber objetos compactos (densos) de materia oscura?, es decir, ¿puede haber el equivalente a estrellas y planetas de materia oscura? En principio, la materia oscura gravita y nada debería impedir su agregación (si es materia oscura fría). ¿Pueden ser algunos agujeros negros objetos compactos de materia oscura? ¿cuál es el nivel de compactificación que puede alcanzar la materia oscura? ¿cuál es el equivalente al límite de Chandrasekhar? Creo que queda mucha física por trabajar.»
Pues eso, que sigue quedando trabajo por hacer. Por otro lado, vivimos en una época realmente interesante, vamos a ver qué nos cuentan el día 15 de diciembre. Y una pregunta Francis, ¿qué posibilidades ves al Gravedad Cuántica de Lazos (LQG)?
Saludos.
Sin carga no hay enlaces químicos ni moléculas, ni agregación de materia. ¿Cómo se agregaría la ‘materia oscura’ para formar estrellas y planetas? La materia de una nube de gas y polvo no empieza a agregarse por su gravedad, sino por una química impulsada por la radiación sobre el gas y el efecto catalizador del polvo, más tarde -cuando el gas empieza a rotar- por las fuerzas eléctricas producidas por fricción y por las turbulencias del gas. También actúa la presión de radiación de estrellas o supernovas próximas…
Entiendo que se recurra a la ‘materia oscura’ para explicar varios fenómenos observados inexplicables de otro modo. ¿Pero para qué se requiere la ‘materia oscura’ en el modelo de formación estelar/planetaria?
Wachosvsky, los fotones no tienen masa, pero las partículas de materia oscura deben tener masa (y según las estimaciones cosmológicas mayor que la masa de los protones).
Pero, Francisco, si lo que mantiene unida una molécula o varias moléculas entre sí son enlaces químicos en los que la carga de los electrones parece imprescindible, ¿qué une la ‘materia oscura’? ¿cuál sería el equivalente a los enlaces químicos en unas partículas que no tienen carga?
Por otro lado, todo lo que se puede decir sobre estabilidad de la materia, ¿es aplicable a la ‘materia oscura’?
Y finalmente, los físicos teóricos que postulan la existencia de planetas y estrellas de ‘materia oscura’, presentan algún modelo de cómo se formarían estos objetos?
Gabriel, ¿la única interacción que existe es el electromagnetismo? ¿Qué une a los quarks dentro de los protones? ¿Qué une a los átomos dentro de un estrella enana blanca? ¿Qué une a los neutrones y protones dentro de una estrella de neutrones?
La estabilidad de un tipo de materia depende de su ecuación de estado. Si conoces la ecuación de estado de un tipo de materia oscura puedes estudiar su estabilidad (bajo qué condiciones de presión y temperatura puede ser estable).
La formación de objetos compactos siempre es debida a procesos de acreción o de colapso. Tanto de estrellas y planetas, como de estrellas y planetas hipotéticos de materia oscura. Si bajo ciertas condiciones la materia oscura es estable, hay procesos de acreción y colapso que pueden llevar a su formación.
Gabriel, mucha gente olvida que la «materia oscura» es «materia» y piensa que es algo esotérico. Las leyes físicas que se aplican a la materia se aplican tanto a la materia bariónica como a la materia oscura (como a la materia extraña y otros tipos de materia exótica que han sido propuestos). Se llaman «materia» por eso mismo.
Entiendo…, aunque yo pensaba en la materia -y en la ‘materia oscura’- en condiciones NORMALES, no en condiciones especiales como las que se dan en una supernova. Por cierto, ya que mencionas la ‘materia extraña’, ¿qué pasa con los electrones en una estrella de neutrones? ¿y en una estrella de quarks?
P.D. Gracias, Francisco, por tu paciencia.
Gabriel, como sabes un neutrón se desintegra en un protón, un electrón y un antineutrino, y a la inversa, los protones y electrones de los átomos del material que colapsa en la estrella de neutrones se transforman en … tatachán … neutrones. Por supuesto, he simplificado mucho y los detalles son un poco más complicados. Para básicamente el núcleo de una estrella de neutrones tiene neutrones que «se han comido» a los protones y electrones.
En una hipotética estrella de quarks el núcleo tiene un plasma de quarks y gluones, donde no hay electrones (antes de llegar a dicho estado fue una estrella de neutrones que «se merendó» a todos ellos). Por supuesto, simplifico mucho, pues las estrellas tienen capas de diferente composición con el núcleo en el centro.
¿Un nombre más apropiado para la materia oscura no deberia ser: materia transparente o invisible?
Hola
Me cuesta trabajo comprender como es posible que una partícula con tanta masa y tan abundante en el Universo no se haya podido encontrar en ninguno de los experimentos realizados.
Gracias por tu trabajo y tu gran labor de divulgación de la ciencia.
Juan José, muy fácil, por que se acopla muy poco a las partículas conocidas. Igual que los neutrinos. Hace 10 años se buscaba una partícula WIMP que se acoplara vía el bosón Z (90 GeV) con el resto de las partículas. Se descartó. Hoy en día se busca una partícula WIMP que se acople vía el bosón de Higgs (125 GeV), aún no se ha descartado (alrededor de 2025 se podrá descartar). Y tú dirás, ¿por qué descubrir nuevas partículas es tan difícil? Solo puedo decir que así ha sido en el pasado siglo y parece que así seguirá siendo este siglo. Buscar nuevas partículas siempre es difícil. Y eso es lo apasionante de la física de partículas, que la búsqueda es difícil.
La «galaxia oscura» de Virgo (VIRGO HI 21) puede que no exista realmente y que sea simplemente resultado de la interacción entre M99 y alguna otra galaxia, quizás NGC 4262 que tiene a su alrededor un anillo de gas con cierta formación estelar.
Los «planetas oscuros», fascinante.
Cuando se estudia la Relatividad General se aprende que cualquier forma de energía puede curvar el espacio tiempo y para eso está el Tensor energía momento.
Pero por otro lado busco en Internet como incluir el campo electromagnético en este Tensor (Yo ya me veía añadiendo el Tensor electromagnetico F, ingenuamente, en el tensor energía momento) y me encuentro con :
1) Kaluza Klein que en algo impresionantemente bello pero que no resuelve el tema por desgracia.
2) Buscamos la energia asociada al campo Electormagnetico y se le asigna algo así como una «masa efectiva» de manera que si se pueden hacer cálculos parece ser.
3) Gente que dice que es un problema abierto y que por ahora hay que esperar.
En conclusión ¿podría ser la materia oscura, algún tipo de «materia efectiva» asociada a los campos electromagneticos o electrodebil o fuerte?
Un saludo, el mejor blog en castellano de física.
Alejandro, como poder ser, puede ser… Quiero decir, que hay que definir qué entiendes por «masa efectiva» exactamente. Como candidatos a la materia oscura se han propuesto los «fotones oscuros» (dark photons), un nuevo bosón electrodébil Z’, los MACROs que están hechos de materia extraña (que contiene el quark extraño o s) y muchas otras más que se pueden considerar en la línea de la «masa efectiva» que preguntas. Todas ellas tienen problemas, luego sólo se las toman en serio algunos físicos (sin embargo, por ahora no las podemos descartar del todo). Hay cientos de candidatos exóticos a materia oscura que no podemos descartar y que con un ajuste fino de sus parámetros permiten describir todo lo que sabemos. Pero a los físicos nos gustan las propuestas teóricas que no tienen ajustes finos.
Gracias por la respuesta
Hola, yo pensaba que existía también una explicación geométrica para el campo electromagnético ¿no existe? ¿no es posible explicar los efectos de los imanes, por ejemplo, con una suerte de deformación espaciotemporal como la gravedad?
J.L., no, lo siento, la explicación clásica geométrica de Kaluza-Klein no funciona. Aunque las teorías gauge están inspiradas en la geometría (un matemático las llama geométricas), luego en última instancia las teorías cuánticas de campos son explicaciones «geométricas» de las interacciones fundamentales. Por supuesto, el paradigma de la teoría de cuerdas afirma que todas las interacciones son pura geometría (resultado de la compactificación de dimensiones extra del espaciotiempo), pero creo que no te referías a estas ideas.
«…han publicado como hipótesis la existencia de planetas compactos, con masas similares a la de Júpiter o la Tierra, pero muchísimo más pequeños. Este nuevo tipo de objeto astronómico ocultaría gran cantidad de materia oscura en su interior, aunque estaría rodeada de materia ordinaria, lo que los haría visibles.»
Dicho así, ¡parece que estemos pisando uno de ellos! Y que las visiones teóricas de Neal Adams sobre «Growing earth»…cojan algo de «posible sentido»: http://nealadams.com/science-videos/
…Ese misterioso núcleo terrestre… 🙂
PD: por cierto, Neal Adams es un grandísimo dibujante de Batman y X-Men.
Paco, que tal?. Estuvimos compartiendo sabados con Rafael alla por el año 97. El estaria orgulloso de tu trabajo. Soy fisico tambien y te sigo cuando puedo. El blog de la mejor calidad. Gracias. Saludos.
Juanma, un placer leerte por aquí. No sé si leiste mi obituario de Rafael.
Si , lo lei. Un hombre excepcional. Mente avida de conocimiento hasta el final. Claro a la hora de criticar la Ciencia barata. Ya veo que cogistes su testigo. Su espiritu se quedo a tu lado. Un honor haber compartido esos momentos con vosotros.
Y ya que estamos, digo yo que intentar simplificar en el 80% de lo desconocido, cuando en el 20% restante aun queda, ….Me parece que la Naturaleza no nos lo va a poner tan facil…jeje.
Un abrazo.
Soy un aficionado a la divulgación científica. Una cosa que no acabo de entender de este artículo es lo de «La materia bariónica puede emitir luz porque los quarks y los electrones tienen carga eléctrica.». Yo pensaba que le emisión de luz, de fotones, se debía a procesos como el paso de un electrón de un orbital a otro dentro del átomo, a la fusión de núcleos de hidrógeno como en el Sol, etc. ¿Cómo la carga eléctrica produce luz en los quarks y los elecrones? ¿O es que he entendido mal esa parte del artículo?
Muchas gracias por el artículo. Un saludo.
José, ¿has oído alguna vez que un electrón acelerado emite radiación sincrotrón? A un quark le pasa lo mismo. ¿Has oído hablar del origen de la radioactividad gamma? Pues es la emisión de luz por los quarks (acelerados dentro de los nucleones) en los núcleos de los átomos. ¿Qué pasa en los átomos? Que los electrones están acelerados y por tanto pueden emitir fotones, cambiando su energía (este cambio implica un cambio de orbital = nivel energético).
¿Has estudiado algo de física? La luz (fotones) es un campo electromagnético. Los campos electromagnéticos se acoplan a las partículas que tienen carga eléctrica, por tanto, las que no tienen carga eléctrica, como neutrinos o gluones, no emiten luz. Un electrón o un quark o cualquier partícula con carga eléctrica está acoplada al campo electromagnético y por tanto puede ceder parte de su energía emitiendo un fotón (por ejemplo, cuando se acelera dicha partícula emitirá fotones).
Ahora lo he entendido, Francis, muchísimas gracias por responder tan rápido a mi duda y por aclarar mis dudas.
Un fuerte abrazo.