¿De qué está hecho el universo?

En la Tierra, no cambia dramáticamente la composición del ambiente de un lugar a otro. Podríamos suponer que el resto del universo es similar y eso era la opinión de los científicos hasta el siglo XIX. Fue solamente en 1925 que Cecilia Payne Gaposchkin demostró que las estrellas tenían una composición química distinta a la de la Tierra. El Sol y las estrellas están compuestos principalmente de hidrógeno y helio, representando el 73% y 25% de su masa, respectivamente, con los demás elementos de la tabla periódica contribuyendo 2% de su masa. Dado que más del 98% de la masa de la Tierra está compuesta de los elementos que son apenas 2% de la masa del Sol, la Tierra tiene una composición química anómala.

Luego, en 1933, Fritz Zwicky midió las velocidades de las galaxias en el cúmulo de galaxias de Coma, el cúmulo de galaxias más grande cercano a nuestra Vía Láctea. A partir de estas velocidades calculó la masa del cúmulo, obteniendo una masa que excedía por mucho a la masa que se puede atribuir a las estrellas en las galaxias del cúmulo. Es decir, faltaba masa, que no era visible, para explicar las velocidades de las galaxias en el cúmulo de Coma. Zwicky llamó esta masa invisible “materia oscura”.

En los 1950s, estudios de la rotación de las galaxias espirales indicaron que a ellas también les faltaba masa. Este efecto fue claramente demostrado en los 1970s por varios investigadores, la más notoria siendo Vera Rubin. Encontraron que las galaxias espirales, como nuestra Vía Láctea, giraban más rápidamente en su periferia que lo que se podía explicar en base a la materia visible en ellas.

Estos cálculos de las masas, en el cúmulo de Coma o en las galaxias espirales, se basan en la teoría de gravedad de Newton. Entonces, existe la disyuntiva de si nuestro entendimiento de la gravedad está mal o si hay material adicional que desconocemos. En los 1980s, se empezó a descubrir “lentes gravitacionales” (¡una predicción de Zwicky!), sistemas donde la gravedad de un objeto masivo cercano desvía la luz de los objetos más lejanos. Observamos este efecto en la foto. Se trata de un cúmulo de galaxias, donde, además de las galaxias del cúmulo, se ven unos arcos. Estos arcos son las imágenes distorsionadas de galaxias atrás del cúmulo. Cuando se calcula la masa requerida para este fenómeno, también se encuentra que hace falta más masa que la que vemos, otro indicio señalando la existencia de masa adicional. Desafortunadamente, desconocemos la naturaleza de esta materia oscura.

Pero, no es todo. A finales de los 1990s, estudios de supernovas lejanas encontraron que eran demasiado débiles. Es decir, son más lejanas, o menos brillantes, que lo esperado. Se sabe desde los 1930s que el universo está en expansión, pero estas observaciones de supernovas requerían aun más expansión que se suponía. Para explicar esta expansión adicional, se recurrió a una idea, que, de una manera u otra, inició con la constante cosmológica de Einstein. La expansión adicional viene de una presión adicional debido a una “energía oscura”. Lamentablemente, lo único que conocemos de esta energía oscura es su efecto sobre la expansión del universo.

Según la ecuación famosa de Einstein, E=mc^2, energía y masa son equivalentes. Visto así, la energía oscura contribuye la mayor parte del contenido del universo, del orden de 68% de la masa (o energía), mientras que la materia oscura aporta 27% y la materia que conocemos en la Tierra apenas el 5%. Entonces, no solamente tiene la Tierra una composición química anómala, pero está compuesta de la materia más minoritaria del universo.

* Instituto de Astronomía UNAM, Campus Ensenada.