Ciencia

Faltaba la mitad de la materia en el universo... y esta es la historia de cómo la hallaron

Durante años, los científicos trataron de resolver el 'problema del barión faltante'. Ahora, un grupo de científicos indagó al respecto.

A fines de la década de 1990, los cosmólogos hicieron una predicción sobre cuánta materia ordinaria debería haber en el universo. Aproximadamente el 5 por ciento, estimaron, debería ser material normal y el resto una mezcla de materia oscura y energía oscura. Pero cuando los cosmólogos contaron todo lo que podían ver o medir en ese momento, se quedaron cortos. Por mucho.

El total de toda la materia ordinaria que los cosmólogos midieron solo sumaba aproximadamente la mitad del 5 por ciento de lo que se suponía que era en el universo.

Esto se conoce como el "problema del barión faltante" y durante más de 20 años, los cosmólogos como nosotros buscaron este asunto sin éxito.

Tomó el descubrimiento de un nuevo fenómeno celeste y una tecnología de telescopio completamente nueva, pero a principios de este año, nuestro equipo finalmente encontró la materia faltante.

Origen del problema

Los bariones son una clasificación para tipos de partículas, una especie de término general, que abarca protones y neutrones, los componentes básicos de toda la materia ordinaria del universo. Todo lo que está en la tabla periódica y casi todo lo que consideres "cosas" está hecho de bariones.

Desde finales de la década de 1970, los cosmólogos han sospechado que la materia oscura, un tipo de materia aún desconocida que debe existir para explicar los patrones gravitacionales en el espacio, constituye la mayor parte de la materia del universo y el resto es materia bariónica, pero no lo hicieron. No sé las proporciones exactas.

En 1997, tres científicos de la Universidad de California, San Diego, usaron la proporción de núcleos pesados ​​de hidrógeno (hidrógeno con un neutrón adicional) a hidrógeno normal para estimar que los bariones deberían representar aproximadamente el 5 por ciento del presupuesto de energía de masa del universo.

Sin embargo, mientras la tinta aún se estaba secando en la publicación, otro trío de cosmólogos 'levantó' una bandera roja brillante. Informaron que una medida directa de bariones en nuestro universo actual, determinada a través de un censo de estrellas, galaxias y el gas dentro y alrededor de ellas, sumaba solo la mitad del 5 por ciento previsto.

Esto provocó el problema de bariones faltantes. Siempre que la ley de la naturaleza sostuviera que la materia no puede crearse ni destruirse, había dos explicaciones posibles: o la materia no existía y las matemáticas estaban mal, o la materia estaba escondida en alguna parte.

Búsqueda sin éxito

Los astrónomos de todo el mundo emprendieron la búsqueda y la primera pista llegó un año después de los cosmólogos teóricos.

Sus simulaciones por computadora predijeron que la mayoría de la materia faltante se escondía en un plasma caliente de baja densidad y millones de grados que impregnaba el universo. Esto se denominó el "medio intergaláctico caliente" y se le apodó 'el WHIM' (Warm–hot intergalactic medium, en inglés). 'El WHIM', si existiera, resolvería el problema de bariones faltantes, pero en ese momento no había forma de confirmar su existencia.

En 2001, surgió otra evidencia a favor del 'WHIM'. Un segundo equipo confirmó la predicción inicial de bariones que componen el 5 por ciento del universo al observar pequeñas fluctuaciones de temperatura en el fondo cósmico de microondas del universo, esencialmente la radiación sobrante del Big Bang.

Con dos confirmaciones separadas de este número, las matemáticas tenían que ser correctas y el WHIM parecía ser la respuesta. Ahora los cosmólogos solo tenían que encontrar este plasma invisible.

En los últimos 20 años, nosotros y muchos otros equipos de cosmólogos y astrónomos hemos llevado a la caza a casi todos los mejores observatorios de la Tierra. Hubo algunas falsas alarmas y detecciones tentativas de gas caliente-caliente, pero uno de nuestros equipos finalmente los vinculó al gas alrededor de las galaxias. Si el 'WHIM' existía, era demasiado débil y difuso para detectarlo.

Una solución inesperada en ráfagas rápidas de radio

En 2007, apareció una oportunidad totalmente imprevista. Duncan Lorimer, astrónomo de la Universidad de West Virginia, informó sobre el descubrimiento fortuito de un fenómeno cosmológico conocido como ráfaga de radio rápida (FRB). Las FRB son pulsos extremadamente breves y altamente energéticas de emisiones de radio. Los cosmólogos y los astrónomos aún no saben qué los crea, pero parecen provenir de galaxias muy, muy lejanas.

A medida que estas ráfagas de radiación atraviesan el universo, gases y el 'WHIM' teorizado, experimentan algo llamado dispersión .

La misteriosa causa inicial de estas FRB dura menos de una milésima de segundo y todas las longitudes de onda avanzan en un grupo apretado. Si alguien tuviera la suerte, o la mala suerte, de estar cerca del lugar donde se produjo una FRB, todas las longitudes de onda los golpearían simultáneamente.

Pero cuando las ondas de radio atraviesan la materia, se reducen brevemente. Cuanto más larga es la longitud de onda, más "siente" una onda de radio el asunto. Piensa en ello como la resistencia al viento. Un automóvil más grande siente más resistencia al viento que un automóvil más pequeño.

El efecto de "resistencia al viento" en las ondas de radio es increíblemente pequeño, pero el espacio es grande. Para cuando una FRB ha viajado millones o miles de millones de años luz para llegar a la Tierra, la dispersión ha disminuido tanto las longitudes de onda más largas que llegan casi un segundo después que las longitudes de onda más cortas.

Ahí reside el potencial de las FRB para pesar los bariones del universo, una oportunidad que reconocimos en el acto. Al medir la propagación de diferentes longitudes de onda dentro de una FRB, podríamos calcular exactamente cuánta materia, cuántas bariones, atravesaron las ondas de radio en su camino hacia la Tierra.

En este punto estábamos tan cerca, pero había una última información que necesitábamos. Para medir con precisión la densidad bariónica, necesitábamos saber de dónde venía una FRB en el cielo. Si supiéramos la galaxia fuente, sabríamos qué tan lejos viajaron las ondas de radio. Con eso y la cantidad de dispersión que experimentaron, ¿tal vez podríamos calcular cuánta materia atravesaron en el camino a la Tierra?

Desafortunadamente, los telescopios en 2007 no fueron lo suficientemente buenos como para determinar exactamente de qué galaxia, y por lo tanto, qué tan lejos vino un FRB.

Sabíamos qué información nos permitiría resolver el problema, ahora solo teníamos que esperar a que la tecnología se desarrolle lo suficiente para proporcionarnos esos datos.

Innovación técnica

Pasaron 11 años hasta que pudimos colocar, o localizar, nuestra primera FRB. En agosto de 2018, nuestro proyecto de colaboración llamado CRAFT comenzó a utilizar el radiotelescopio australiano de kilómetros cuadrados Array Pathfinder (ASKAP) en el interior de Australia Occidental para buscar FRB.

Este nuevo telescopio puede observar grandes porciones del cielo, aproximadamente 60 veces el tamaño de una Luna llena, y puede detectar simultáneamente FRB y determinar de qué parte del cielo provienen.

ASKAP capturó su primera FRB un mes después. Una vez que supimos la parte precisa del cielo de donde provenían las ondas de radio, usamos rápidamente el telescopio Keck en Hawái para identificar de qué galaxia provenía la FRB y qué tan lejos estaba esa galaxia.

La primera FRB que detectamos vino de una galaxia llamada DES J214425.25–405400.81 que está a unos 4 mil millones de años luz de la Tierra, en caso de que te lo preguntes.

La tecnología y la técnica funcionó. Habíamos medido la dispersión de una FRB y sabíamos de dónde venía. Pero necesitábamos atrapar algunas más para obtener un recuento estadísticamente significativo de bariones. Así que esperamos y esperamos que el espacio nos envíe más FRB.

A mediados de julio de 2019, habíamos detectado cinco eventos más, suficientes para realizar la primera búsqueda de la materia faltante. Utilizando las medidas de dispersión de estas seis FRB, pudimos hacer un cálculo aproximado de la cantidad de materia por la que pasaban las ondas de radio antes de llegar a la Tierra.

Nos sorprendió tanto el asombro como la tranquilidad en el momento en que vimos que los datos cayeron justo en la curva predicha por la estimación del 5 por ciento. Habíamos detectado los bariones faltantes en su totalidad, resolviendo este enigma cosmológico y poniendo fin a dos décadas de búsqueda.

Este resultado, sin embargo, es solo el primer paso. Pudimos estimar la cantidad de bariones, pero con solo seis puntos de datos, todavía no podemos construir un mapa completo de los bariones faltantes. Tenemos pruebas de que el 'WHIM' probablemente existe y hemos confirmado cuánto hay, pero no sabemos exactamente cómo se distribuye.

Se cree que es parte de una vasta red filamentosa de gas que conecta las galaxias denominadas 'la red cósmica', pero con aproximadamente 100 ráfagas de radio rápidas, los cosmólogos podrían comenzar a construir un mapa preciso de esta red.

J. Xavier Prochaska, de la Universidad de California, Santa Cruz, y Jean-Pierre Macquart, de la Universidad de Curtin, para The Conversation.

*The Conversation es una fuente independiente y sin fines de lucro de noticias, análisis y comentarios de expertos académicos.