curvatura de la materia oscura

El carrusel gira: cuanto más lejos del centro te sientas, más rápido te lleva. Durante mucho tiempo se pensó lo mismo de las galaxias: las estrellas en las afueras deberían girar más lento que las cercanas al centro. Pero ya en los años 1970 se descubrió que en muchas galaxias espirales la velocidad de las estrellas apenas disminuye con la distancia al centro.

El cosmos se expande, y esa expansión se acelera. Pero ¿y si en los primeros instantes tras el Big Bang la gravedad funcionara de otra manera? Los autores del nuevo trabajo añadieron a las ecuaciones de Einstein un campo invisible que intercepta la energía de la materia y la radiación ordinarias.

Una nube de polvo cósmico, homogénea y esférica, comienza a contraerse bajo su propia gravedad. En algún momento, según las leyes clásicas, debería colapsar en un punto de densidad infinita: una singularidad.

En algún lugar del centro de una galaxia gira un agujero negro. No flota en el vacío: a su alrededor hay un enjambre invisible de partículas de materia oscura. Hasta ahora, ese enjambre se describía para agujeros estáticos, pero en realidad los agujeros siempre rotan.

Un agujero negro en rotación no es un remolino tranquilo. El espacio a su alrededor tiembla y vibra ante la menor perturbación, como la cuerda de una guitarra después de un pellizco. Estas oscilaciones se describen mediante la ecuación de Teukolsky, una construcción matemática compleja que los físicos estudian desde hace medio siglo.

La luz se congela en el borde del abismo: así se ve el horizonte de sucesos de un agujero negro ordinario. Pero en el centro de ese abismo se esconde una singularidad, un punto donde las leyes de la física dejan de funcionar. ¿Y si en lugar de un punto hubiera una cáscara dura? Un gravastar no es un agujero negro.

El modelo estándar de la física de partículas es un catálogo de todos los ladrillos conocidos del universo: electrones, quarks y otros. Pero no dice nada sobre la materia oscura y no se lleva bien con la gravedad. El nuevo trabajo da un paso audaz: a cada ladrillo del catálogo se le añade su reflejo especular con rotación opuesta.

Si tomas una olla con agua hirviendo y le echas un puñado de espaguetis, se cocinan rápido y se pegan en un amasijo. Pero en una enorme olla de restaurante, donde los espaguetis flotan libremente, cada uno se mantiene separado.

En 1956, dos radiotelescopios en Jodrell Bank apuntaron a Sirio, captando no imágenes sino el temblor de la intensidad. El experimento de Hanbury Brown y Twiss (HBT) reveló algo sorprendente: las correlaciones de los fotones entrantes cuentan la estadística de la fuente, si es caótica como una lámpara térmica o coherente como un láser.

En el centro de la Vía Láctea, envuelto en polvo y fulgor, se esconde un agujero negro supermasivo: Sagitario A*. A su alrededor, como polillas alrededor de una llama, giran decenas de estrellas guía. Dos de ellas, S2 y S38, con órbitas excéntricas y períodos de pocos años, se han convertido en protagonistas de la verificación de las leyes fundamentales del cosmos.

Imagina el universo primitivo como una campana de dimensiones inimaginables. La inflación —la época de expansión acelerada ideada por Alan Guth— la golpea, y una onda se propaga por el tejido del espacio-tiempo.

El mundo que nos rodea es tridimensional, pero quizá sea solo una apariencia. Algunas teorías admiten que el espacio contiene dimensiones adicionales, plegadas o estiradas de manera especial. Uno de esos modelos dibuja un universo de cinco dimensiones con una dimensión "diluida" (llamada dilatón lineal).

En el centro de un agujero negro ordinario, según las ideas clásicas, se esconde una singularidad: un punto de densidad infinita donde las leyes de la física dejan de funcionar. Pero algunas teorías inspiradas en la dualidad de la teoría de cuerdas proponen sustituir ese punto por una diminuta región «difuminada».

En el críquet existe un lanzamiento especial: el googly. La pelota vuela de tal manera que su giro engaña al bateador. En física también había su propio googly: durante casi medio siglo, los matemáticos no lograban que la teoría de twistores funcionara con la gravedad real. Describía muy bien los campos «cómodos», donde todo está enrollado en una sola dirección.

En los primeros instantes de la vida del universo no había ni rastro de energía oscura: esa fuerza que hoy separa las galaxias cada vez más rápido. Pero si miramos más profundo, a la escala de Planck (miles de millones de miles de millones de veces más pequeña que el núcleo atómico), el espacio-tiempo deja de ser liso.

Un objeto no puede ser un punto. Al menos, en la gravedad de Einstein. Las ecuaciones de la relatividad general exigen que la fuente del campo — la materia — esté distribuida en el espacio, no concentrada en un volumen infinitamente pequeño.

En el centro de muchas galaxias se esconden agujeros negros, regiones con una gravedad tan intensa que ni siquiera la luz puede escapar de ellos. A su alrededor suelen orbitar estrellas, y a veces una de ellas es un púlsar, un faro cósmico que emite pulsos de radio estrictamente periódicos.

El caldo ardiente del Universo temprano se enfrió de manera desigual. En algún momento, comenzaron a formarse burbujas de una nueva fase, como burbujas de vapor en agua hirviendo. Pero estas burbujas no eran de vapor, sino de un nuevo estado de la materia en el que las partículas del sector oscuro se agrupaban en grumos más grandes. Así pudo nacer la materia oscura.

La paradoja de los agujeros negros ha atormentado a los físicos durante décadas. Si el agujero desaparece, ¿a dónde va su contenido? Los descubrimientos de Stephen Hawking y Jacob Bekenstein demostraron que para salvar las leyes de la naturaleza se requiere un movimiento no convencional.

El Universo se comporta como una burbuja de jabón que se infla en una espuma multidimensional. El modelo de la burbuja oscura explica por qué se expande cada vez más rápido: la burbuja del espacio-tiempo crece y su membrana adquiere un grosor diminuto, de aproximadamente una micra, como el de una bacteria.

Si tiras una piedra a un estanque, se forman ondas en el agua. De manera similar, un agujero negro «suena» cuando cae materia en él o cuando su espacio-tiempo se sacude ligeramente. Estas oscilaciones amortiguadas se denominan modos cuasinormales, como el tañido de una campana que se va apagando poco a poco.

Un agujero de gusano es un túnel hipotético en la curvatura del espacio-tiempo que conecta dos regiones distantes del universo y potencialmente acorta el camino entre ellas.

La luz que pasa cerca de un agujero negro se arremolina como el agua alrededor del desagüe de una bañera. Lo más fascinante es el anillo delgado donde los rayos pueden girar eternamente, sin caer hacia adentro ni escapar. Esta es la esfera de fotones, una frontera invisible que dibuja la sombra del agujero en el cielo.

A través de las ondulaciones del agua, las piedras en el fondo de la piscina parecen desplazadas y distorsionadas. De manera similar, la gravedad de la materia oscura invisible curva la luz de las galaxias lejanas: este fenómeno se conoce como lente gravitacional débil.

Solo unos pocos cientos de millones de años después del Big Bang, en el océano invisible de la materia oscura ya se estaban formando gigantescos agujeros negros. Nacían de la materia misma, sin ayuda de estrellas. Este mecanismo, basado en las ecuaciones de Lemaître, explica su aparición temprana.

Un agujero negro no es una esfera perfectamente lisa. La teoría de Einstein permite que a su alrededor pululen «pelos» invisibles: acumulaciones de campo escalar que curvan el espacio-tiempo.

Durante casi un siglo, los astrónomos han observado cómo las galaxias giran como si las sujetara una masa invisible. El primero en notarlo fue Fritz Zwicky, y Vera Rubin midió con precisión la velocidad de las estrellas en las afueras.

Ya en la década de 1930, Fritz Zwicky notó que las velocidades de las galaxias en cúmulos eran demasiado altas para la masa visible. Más tarde, Vera Rubin confirmó esto para galaxias individuales.

Una estrella moribunda no es simplemente un desvanecimiento. En sus últimos instantes, el núcleo, sin combustible, se comprime sobre sí mismo a una velocidad colosal. La gravedad clásica no deja opción: si la masa es suficiente, nace un agujero negro — una región de la que ni siquiera la luz puede escapar.

Imagina que mides a pasos una sala enorme en completa oscuridad. Caminas de pared a pared contando los pasos y de repente te das cuenta de que las distancias no cuadran como deberían. Parece que el suelo no es plano, sino que se abomba o se hunde como un cuenco.

Un agujero negro no es solo una esfera oscura en el espacio. Si cerca hay gas y polvo, estos se arremolinan formando un disco plano y luminoso que cae gradualmente hacia el interior. Ese disco, como una lámpara, ilumina al propio agujero, y sobre el fondo brillante se ve su sombra: una silueta oscura con bordes nítidos. Pero, ¿y si el disco no es plano, sino que está roto en pedazos?

Cuando las estrellas en los bordes de las galaxias giran más rápido de lo calculado, normalmente se supone la existencia de materia oscura oculta. Un nuevo trabajo prescinde de partículas invisibles.

Einstein describió la gravedad como una curvatura del espacio-tiempo, como si una pesa deformara una tela tensa. Los agujeros negros son las hendiduras más profundas, y cuando algo cae en ellos, por la tela viajan ondas gravitacionales — ondulaciones que podemos detectar.

La imagen habitual: la gravedad siempre atrae. Pero si la masa se encuentra en superposición cuántica —es decir, en dos puntos a la vez, como un objeto en una fotografía de doble exposición—, todo se invierte.

En las oscuras profundidades del cosmos se esconde una materia invisible. No brilla, pero su atracción mantiene unidas a las galaxias. Por lo general, se considera que la materia oscura obedece las mismas leyes de la gravedad que las mesas y las sillas.

En el centro de nuestra galaxia se encuentra un agujero negro supermasivo alrededor del cual giran estrellas. Su movimiento se asemeja a una danza: unas trazan órbitas alargadas, otras casi circulares.

La tercera ley de la mecánica de los agujeros negros, propuesta por Stephen Hawking, prohíbe que un agujero alcance el giro máximo en un tiempo finito, más o menos como un remolino necesitaría una eternidad para lograr una velocidad absoluta. Sin embargo, las simulaciones numéricas en cinco dimensiones violan esta prohibición.

Ya en el siglo pasado, Vera Rubin descubrió que las estrellas en los bordes de las galaxias giraban demasiado rápido, como si una materia invisible las mantuviera unidas. Desde entonces, la materia oscura ha sido un misterio. Normalmente se atribuye su origen a nuevas partículas o fuerzas.

El cielo nocturno está lleno de estrellas, pero ellas son solo una pequeña parte de todo lo que existe en el universo. Los astrónomos notaron hace tiempo una rareza: las galaxias giran tan rápido que deberían despedazarse, pero no lo hacen. Algo invisible las mantiene unidas, como hilos invisibles que sujetan las cuentas de una rueda que gira.

En los primeros instantes, el Universo experimentó un período breve pero violento — la inflación, cuando se expandió a una velocidad colosal. Esta idea fue propuesta por Alan Guth. En ese entonces también nacieron las partículas de materia ordinaria.