8 de los mayores misterios del universo

No cabe duda de que la humanidad ha dado pasos asombrosos en la comprensión del cosmos desde principios del siglo XX. Sin embargo, todavía hay mucho que no sabemos sobre el universo.

Para poner esto en contexto, la materia «normal» que nos rodea y que compone las estrellas, los planetas, las lunas, los asteroides, los animales, las mesas, las sillas, los ordenadores y todos los demás objetos cotidianos representa sólo el 5% de la materia y la energía del cosmos. Eso significa que no tenemos una comprensión real de lo que es en realidad el 95% del cosmos, a veces llamado el «universo oscuro».

Para agravar este problema, incluso los objetos que sí entendemos pueden sorprendernos. Pensemos en el sol, la estrella con la que estamos más familiarizados: todavía no sabemos nada sobre el calor abrasador de la atmósfera exterior de nuestra estrella, la corona.

¿Cuándo se apoderó la energía oscura del universo?

A principios del siglo XX, el astrónomo Edwin Hubble descubrió que el universo se está expandiendo, para gran sorpresa de la comunidad de físicos de la época, incluido Albert Einstein, que creía que el universo era estático.

Si esto fue una bofetada a la física, lo que los astrónomos descubrieron a finales de siglo fue un puñetazo en el riñón. Mientras monitoreaban la distancia a las supernovas de tipo Ia, dos equipos separados descubrieron que no solo el universo se está expandiendo, sino que esta expansión también se está acelerando.

La energía oscura se introdujo como un nombre provisional para cualquier fuerza que impulse esta expansión. Ahora sabemos que la energía oscura, sea lo que sea, representa el 68% del presupuesto de materia y energía del universo. Volveremos al otro 27% de las cosas que faltan en el universo en un momento.

Sin embargo, el misterio que estamos destacando aquí no es «¿Qué es la energía oscura?» Claro, es un gran enigma, pero la pregunta posiblemente más apremiante es por qué la energía oscura comenzó a dominar el universo cuando lo hizo.

Pensemos en el problema de esta manera: al principio de los tiempos, el universo sufrió una inflación repentina y rápida, a la que llamamos Big Bang. Durante este tiempo, la radiación dominó el universo. Unos 47 millones de años después, comenzó a formarse materia, y unos 400 millones de años después, se formaron las primeras galaxias y la expansión del universo se había ralentizado. La materia dominó esta época. Sin embargo, entre 9.000 y 10.000 millones de años después del Big Bang, algo (la energía oscura) hizo que el universo comenzara a expandirse de nuevo. Esta expansión continúa hoy en día y cada vez es más rápida. Estamos en la época del universo dominada por la energía oscura. La pregunta es: ¿dónde estaba la energía oscura en la época dominada por la materia y cómo se apoderó repentinamente del cosmos?

Responder a estas preguntas es la clave no solo para entender qué es la energía oscura, sino también para determinar el destino final del universo. ¿Se desgarrará el tejido mismo del espacio como resultado de la aceleración continua? ¿O volverá a predominar la materia, haciendo que el universo «recupere» su posición original como una banda elástica estirada? La respuesta puede estar en la historia de la energía oscura, si podemos descifrarla.

¿Por qué la corona solar es tan caliente?

Uno de los misterios espaciales «locales» más curiosos y de menor importancia es el «problema del calentamiento coronal», que ha desconcertado a los investigadores durante décadas. Los científicos aún no están seguros de por qué la nube difusa de plasma que compone la atmósfera exterior del Sol, «la corona», es mucho más caliente que la superficie de la estrella, la fotosfera. Esto ocurre a pesar de que la corona es prácticamente invisible porque la luz de la fotosfera abruma por completo la luz de la corona. La corona sólo se puede ver claramente durante un eclipse solar total, cuando la luna cubre la fotosfera, bloqueando su luz, o con un instrumento llamado coronascopio, que hace el mismo trabajo artificialmente.

La diferencia de temperatura entre las dos regiones del sol es significativa: la corona puede alcanzar más de 3,5 millones de grados Fahrenheit (2 millones de grados Celsius), mientras que la superficie del sol tiene una temperatura relativamente agradable de 10.000 F (6.000 C).

Para entender por qué esto es un gran misterio, considere que la gran mayoría de la energía del sol se genera en su núcleo. Eso significa que el sol debería calentarse más cuanto más cerca esté del centro, y todas las regiones del sol obedecen a esta regla, excepto la corona. Sería como descubrir que sus malvaviscos se asan más rápido cuanto más lejos de la fogata los mantiene.

¿Cómo se hicieron tan grandes y tan rápido los agujeros negros supermasivos?

Si bien el telescopio espacial James Webb (JWST) ha respondido a muchas preguntas sobre el cosmos, hay un problema que ha empeorado significativamente. El telescopio espacial de 10 mil millones de dólares se ha destacado por descubrir agujeros negros supermasivos en los albores del universo, y si bien eso suena como algo bueno, ha sido un poco preocupante para los científicos. Los agujeros negros supermasivos tienen masas millones o miles de millones de veces mayores que la del sol y se cree que residen en el corazón de todas las grandes galaxias. Ninguna estrella tiene la masa necesaria para colapsar y crear un agujero negro supermasivo, por lo que los científicos saben que estos gigantes no nacen como los agujeros negros de masa estelar más diminutos, que tienen masas de alrededor de 10 a 100 veces la del sol.

Los científicos creen que los agujeros negros supermasivos crecen hasta alcanzar tamaños monstruosos a través de cadenas de fusión de agujeros negros progresivamente masivos. También se cree que su crecimiento se ve facilitado por el rápido consumo o acreción de gas y polvo de sus galaxias anfitrionas.

El problema es el siguiente: tal como lo conocemos actualmente, este proceso debería tardar al menos mil millones de años. Esto significa que, cuando el JWST descubra agujeros negros supermasivos con millones de masas solares tan pronto como 600 millones de años después del Big Bang, será un verdadero problema para nuestros modelos de evolución cósmica. Y estos descubrimientos siguen llegando.

«Es como ver a una familia caminando por la calle, y tienen dos adolescentes de 1,80 metros, pero también tienen con ellos a un niño de 1,80 metros de altura», dijo anteriormente a Space.com John Reagan, investigador de la Royal Society en la Universidad de Maynooth. «Eso es un pequeño problema. ¿Cómo llegó a ser tan alto el niño? Y lo mismo ocurre con los agujeros negros supermasivos del universo. ¿Cómo llegaron a ser tan masivos, tan rápidamente?»

¿Qué son los JuMBO?

Todos los misterios que hemos mencionado hasta ahora tienen prestigio y precedencia porque han estado preocupando a los científicos durante una década o dos. Pero un descubrimiento realizado el año pasado muestra que hay muchos misterios con los que aún no nos hemos topado: «incógnitas desconocidas», en lugar de «incógnitas conocidas».

Este descubrimiento fue cortesía del JWST en forma de «objetos binarios con masa de Júpiter», o JuMBO para abreviar. Los astrónomos descubrieron 40 pares de JuMBO no ligados a ninguna estrella en una región de formación estelar de la Vía Láctea conocida como la Nebulosa de Orión, a unos 1.350 años luz de la Tierra. Los JuMBO son problemáticos porque, como señaló su descubridor, Mark McCaughrean, asesor científico senior de la Agencia Espacial Europea, no son estrellas y, a pesar de tener masas planetarias, tampoco parecen ser planetas.

Esta curiosidad tiene que ver con la formación. Cuanto menos masiva es una estrella, menos probabilidades hay de que sea binaria. Así, mientras que alrededor del 75% de las estrellas masivas se encuentran en sistemas binarios, este porcentaje se reduce al 50% en el caso de estrellas de un tamaño similar al del Sol y al 25% en el caso de las estrellas más pequeñas. Si los JuMBO con masas cercanas a la de Júpiter se formaran como estrellas, el número de sistemas binarios debería ser cercano a cero. Eso significa que encontrar 40 pares en una sola nebulosa debería ser imposible.

Entonces, ¿por qué los JuMBO no pueden nacer como planetas? Sí pueden, pero un problema con esto surge un poco más adelante. Si los JuMBO se formaran como los planetas, nacerían en anillos de gas y polvo alrededor de estrellas. Estas parejas de JuMBO actualmente no tienen una estrella madre, pero eso no es demasiado difícil de explicar.

Los planetas pueden ser expulsados ​​de las estrellas para vagar solos por sus galaxias como mundos errantes debido a interacciones gravitacionales con estrellas que pasan por allí, o incluso con otros planetas en su sistema. El problema es que estos procesos de expulsión requieren mucha energía y son bastante violentos. Eso significa que estos procesos de expulsión deberían ser lo suficientemente energéticos como para dividir las parejas de JuMBO. Por supuesto, podría haber algún evento extraño que haga que dos planetas sean expulsados ​​juntos sin separarse. Pero nuevamente, la existencia de 40 pares de JuMBO en Orión sugiere que algo más está en juego aquí.

Los científicos ahora están luchando por explicar cómo se formaron estos curiosos objetos.

¿Qué hay en el corazón de un agujero negro?

Los agujeros negros han aparecido varias veces en esta lista, y no es solo porque estemos obsesionados con estos titanes cósmicos (quizás un poco). Los agujeros negros son misteriosos por diseño. El límite exterior de un agujero negro está marcado por su horizonte de sucesos, el punto en el que nada, ni siquiera la luz, puede escapar de su alcance.

Nada con masa puede viajar más rápido que la luz, lo que significa que cualquier cosa que pase por el horizonte de sucesos está en un viaje de ida al corazón del agujero negro. Eso significa que nunca podemos esperar recibir una señal desde el interior de un agujero negro. Están, y siempre estarán, envueltos en misterio.

Por supuesto, donde la observación falla, tenemos la teoría, ¿no? Falso. La mejor receta actual de la humanidad para la gravedad, sobre la que se construyen nuestros modelos del universo, es la relatividad general, propuesta por Einstein en 1915.

Menos de un año después, en diciembre de 1915, los agujeros negros alertaron por primera vez a los científicos teóricamente debido al hecho de que las soluciones a las ecuaciones de la relatividad general producidas por el astrónomo alemán Karl Schwarzschild (mientras servía en el frente durante la Primera Guerra Mundial) produjeron cálculos que indicaban que podría haber un punto infinitesimalmente pequeño en el espacio en el que una enorme cantidad de materia podría condensarse para hacer que las ecuaciones de la relatividad general llegaran al infinito.

Los científicos llaman a este punto una «singularidad», y es muy preocupante porque significa que, en el corazón de un agujero negro, todas las leyes y teorías de la física colapsan como las estrellas moribundas que dan origen a los agujeros negros en primer lugar.

¿Cuál es el secreto de la materia oscura?

¿Recuerdas que falta el 27% del presupuesto de materia y energía del universo? El otro elemento del universo es la materia oscura, y los científicos tienen poca idea de qué es. Sin embargo, tenemos algunas pistas más que sobre la energía oscura. Por ejemplo, estamos bastante seguros de lo que no es la materia oscura.

La materia oscura no interactúa con los fotones (partículas de luz), o cuando lo hace, la interacción es tan débil que no podemos verla. Lo mismo ocurre con las partículas de materia «cotidiana», que se compone de átomos que incluyen electrones, protones y neutrones. Por lo tanto, sabemos que la materia oscura no está compuesta de materia «normal».

La única forma de inferir la presencia de materia oscura es a través de sus interacciones con la gravedad. Esta influye y da forma a la estructura del espacio y la materia cotidiana, y la luz que podemos ver reacciona a esto. Por ejemplo, la materia oscura se descubrió cuando los astrónomos estadounidenses Vera Rubin y Kent Ford descubrieron que algunas galaxias giran tan rápido que la influencia gravitatoria de su materia visible no sería suficiente para mantenerlas unidas. La gravedad de la materia oscura es el pegamento que impide que las galaxias se separen.

El hecho de que la materia oscura no pueda estar compuesta de materia bariónica normal ha impulsado la búsqueda de una partícula que pudiera explicar esta misteriosa sustancia. El principal sospechoso hasta ahora es una partícula increíblemente ligera llamada axión. Sin embargo, a pesar del intenso interés, un candidato para la materia oscura ha desafiado el descubrimiento.

Este continuo fracaso en la detección de partículas ha llevado a algunos científicos a revisar la idea de que los pequeños agujeros negros primordiales que quedaron del Big Bang podrían explicar la materia oscura. Pero estos candidatos cósmicos, como los axiones, siguen siendo puramente hipotéticos.

¿Por qué los problemas constantes?

Cuando se utilizó la teoría de la gravedad de Einstein, la relatividad general, para describir el universo, produjo un cosmos que no «se quedaría quieto». Esto supuso un problema para Einstein porque, aunque nunca tuvo miedo de desafiar un paradigma, coincidía con el consenso de la época en que el universo era estático.

Para combatirlo, Einstein introdujo un «factor de error» en sus ecuaciones llamado «la constante cosmológica», representada por la letra griega lambda, que contrarrestaría la gravedad y evitaría que el universo se contrajera. En 1929, cuando Hubble convenció a Einstein de que el universo se estaba expandiendo, el físico envió la constante cosmológica a la papelera teórica, describiendo supuestamente la introducción de lambda como su «mayor error».

Pero la revelación de la expansión acelerada del universo en la década de 1990 provocó el regreso de la constante cosmológica, que todavía está representada por lambda, pero en un nuevo papel: describe la acción de la energía oscura al estirar el tejido del espacio cada vez más rápido.

Sin embargo, incluso en su nueva forma, lambda sigue siendo un gran dolor de cabeza para los científicos. Esto se debe a que los valores de lambda proporcionados por las observaciones de supernovas distantes difieren del valor predicho por las teorías de la física cuántica en hasta 10 elevado a la 121 (1 seguido de 121 ceros).

La constante cosmológica ha sido descrita como la «peor predicción en la historia de la física», y no parece haber una resolución a esta enorme disparidad en el horizonte.

¿Qué golpeó a Urano?

Bueno, basta de chistes sobre Urano. Nos lo tomamos en serio: Urano es un planeta único y extraño del sistema solar porque, a diferencia de todos los demás mundos en nuestro rincón del espacio, gira alrededor del sol de lado. El planeta helado está inclinado más de 90 grados en relación con el plano del sol, al igual que las órbitas de sus 28 lunas y sus tenues anillos de material helado. Todos los demás planetas del sistema solar tienen inclinaciones orbitales de menos de 30 grados.

Además, Urano se destaca porque gira sobre su eje muy rápidamente; un día en el planeta dura solo 17 horas.

Los científicos creen que estas características inusuales fueron el resultado de un objeto entre una y tres veces más masivo que la Tierra que chocó contra Urano hace miles de millones de años cuando el sistema solar se estaba formando. Pero cuando los investigadores realizan simulaciones de esta colisión, el impacto de un cuerpo lo suficientemente masivo como para desplazar drásticamente el tercer planeta más grande del sistema solar produce escombros que son demasiado masivos considerando el tamaño de las lunas de Urano.

Los científicos esperan resolver el misterio de las extrañas cualidades de este gigante de hielo con futuras misiones.

Con información de Space.com