FORMACION DE ESTRUCTURA EN EL UNIVERSO

(Texto parcial del articulo Formación de Estructura en el Universo, publicado en la Revista Mexicana de Fisica de las memorias del Taller de la División de Gravitación y Fisica Matemática celebrado en Chapala en 2001.Para ver el texto completo en .pdf haga click aqui. Tiene cuatro figuras, figura1, figura2, figura3 y figura4)

La idea que tenemos del universo ha ido cambiando con el tiempo y ha sido diferente para las diversas culturas que ha habido en el mundo. Por ejemplo, los antiguos Toltecas pensaban que de la gran fuerza divina, llamada el gran Tloque-Nahuaque, nació la primera pareja de dioses, Ometecuhtli y Omecihuatl, señores de la dualidad, que a su vez crearon a los dioses que crearon al mundo. Los hombres fueron hechos de diferentes materiales hasta llegar a la mejor opción para los dioses, que fue un hombre hecho de maíz. En esta cosmogonía, el universo es hecho por unos dioses que prueban y ensayan, que no son infalibles. La dualidad crea cambio y es un concepto fundamental de esta cosmogonía. En la religión cristiana, en cambio, el universo fue hecho por un solo dios omnipotente y perfecto, que no comete errores, que no se equivoca. El mundo fue hecho en solo siete días, junto con todos los seres que conocemos. El universo se creo desde el principio así y no se puede cambiar. Casi todas las religiones y por ende, casi todas las cosmogonías antiguas, colocan al hombre en el centro del universo, como lo más importante que fue creado por dios o por sus dioses. No fue sino hasta los descubrimientos de Nicolás Copernico que esta imagen cambio. Al poner al sol en el centro de nuestro sistema planetario, la tierra deja de ser el centro del universo. Pero aun así, nuestro sistema planetario podría seguir siendo el centro del universo. Sin embargo, las observaciones del universo con telescopios más grandes demostraron que el sol es solo una de las miles de millones de estrellas que habitan nuestra galaxia y no está en el centro de la galaxia. Es mas, nuestra galaxia es una de las miles de millones de galaxias que pueden verse con los telescopios actuales. Bueno, pero aun quedaba la idea romántica de que las estrellas, los planetas, los astros, estaban hechos de lo mismo que nosotros y todo el universo estaba hecho de los mismos elementos que nosotros. Esto nos ponía en el centro de atención, en un centro especial del universo en el sentido que nosotros podíamos ver, oír, tocar el universo y el resto del cosmos no lo puede hacer. Lo que vamos a ver aquí, es que la materia de la que estamos hechos nosotros y los astros, es apenas una minúscula parte de la materia del universo. La sustancia real del universo, la sustancia de la que esta hecho realmente el universo, no la conocemos, es hasta hoy, un misterio.

Otra idea que ha predominado en el pensamiento humano, es la idea de un universo homogéneo e isotrópico. Siempre ha sido claro que la homogeneidad y la isotropia del universo se encuentra sólo hasta determinado nivel. Nosotros, la tierra, el sol, la galaxia, somos evidentes anisotropias del universo. Sin embargo, no quedaba claro desde que nivel el universo podría considerarse isotrópico. Ahora conocemos que las anisotropias son muy importantes y llegan a niveles gigantescos. Entender el universo con estas características ha sido y es el reto de la astrofísica de nuestros días y es principalmente el objetivo de nuestra investigación en Cinvestav.

Los últimos años han sido muy emocionantes en cosmología, han pasado muchas cosas nuevas. Dejenme resumir los hallazgos de estos últimos años y veamos como no es posible evitar el postular dos tipos de materia exóticos que puedan resolver el problema de la formación de estructura del universo. Al primer tipo se le llama Energía Obscura, que es fundamentalmente repulsiva gravitacionalmente y representa el 70% de la materia del universo y la otra es la Matería Obscura (DM), que es atractiva y representa como el 25% de la materia del universo. De lo que estamos hecho nosotros, sólo representa a lo mas el 5% de la materia del universo.

Primero, es necesario postular algo diferente a la materia común que conocemos, que logre formar la estructura del universo. La primera pregunta que nos podemos hacer es si hay evidencias observacionales de esta materia. La respuesta es sí. En los años 30's, el astrónomo suizo F. Zwiky observo que en el cumulo de Coma había aparentemente un déficit de masa, al ver que las galaxias en el cumulo se movían con velocidades demasiado elevadas, las cuales no se podían explicar con la masa observada en el telescopio de Zwiky. Estas observaciones quedaron un tanto olvidadas hasta que en la década de los 70's Vera Rubin y sus colaboradores observaron algo semejante en galaxias. Lo que Vera Rubin observó es lo siguiente. Utilizando observaciones de varias galaxias en el óptico, ellos calcularon el contenido de materia de las galaxias. Después, usando el corrimiento al rojo del movimiento de las estrellas que ''entran'' y ''salen'' de la galaxia debido a su rotación, pudieron calcular con mucha precisión las velocidades tangenciales (velocidades de rotación) de las estrellas. Luego compararon el resultado de ambas observaciones y encontraron una discrepancia entre las dos observaciones, como el que se eperaba de la formación de estructura.

El resultado fue que debería de haber una cantidad enorme de materia no visible en las galaxias, para que la galaxia se pudiera mantener en equilibrio. Un resultado semejante al de Zwiky, pero ahora visto en galaxias. En la actualidad se han observado miles de galaxias comprobando que la discrepancia es diferente en cada galaxia, pero esta existe normalmente. En cúmulos galácticos la discrepancia es semejante que en galaxias, pero más pronunciada.

Observaciones en el gas intergalactico de los cúmulos muestra el mismo resultado. Debido a la fuerza de gravedad entre galaxias, el gas que se encuentra entre las galaxias en los cúmulos, se calienta. Este calentamiento es proporcional al monto total de la materia que se encuentra en le cúmulo. El resultado es que la temperatura del gas también muestra un déficit de materia con respecto a la materia luminosa. Ambos resultados coinciden bien, dando como resultado que la contribución total de la materia no visible o materia obscura, comparada con la densidad critica del universo es de 35% (la densidad critica de universo es la densidad que determina si el universo es cerrado o abierto). Otra observación en la misma dirección consiste en observar la curvatura de la luz que pasa cerca de una galaxia. La luz curva su trayectoria debido a la masa total del objeto cercano a la trayectoria. Usando estas observaciones en lentes gravitacionales, se ha llegado exactamente a la misma conclusión. Sin embargo, observaciones con telescopios ópticos y con radiotelescopios, que pueden detectar la presencia de polvo frío en las galaxias, mostraron que la densidad de materia barionica no es mayor que 1% de la densidad critica.

Si somos optimistas, podemos tomar los limites obtenidos de observaciones en la formación de la materia primordial. Durante la formación de los elementos primordiales, se puede ver que en si, solo pudieron formarse fundamentalmente hidrogeno, algo como un 75% y helio, como un 25%, en los primeros momento del universo. También se formo un poco de deuterio, un isótopo del hidrogeno. La formación del deuterio depende fuertemente de la cantidad de bariones que había en ese momento en el universo. El deuterio se destruye formando helio 4, pero para eso debe haber suficiente cantidad de protones que lo desintegren. Entre mas protones hay, menos deuterio habrá. El deuterio no se puede sintetizar de ninguna forma en la naturaleza, por lo que todo el deuterio que existe entre las galaxias y las estrellas, se formó durante la nucleosíntesis primordial. Esto implica que la presencia de deuterio entre las estrellas o entre las galaxias es un indicador de la cantidad de protones (bariones) en el origen del universo. Entre mas deuterio se encuentre, menos protones debió haber habido. Las observaciones muestran que la contribución de la densidad de masa de los bariones, debe ser a lo mas de 5% la densidad critica del universo, o no hay forma de explicar la presencia del deuterio observado. Esta observación no esta de acuerdo con las observaciones en cúmulos galácticos, a menos que exista algún tipo de materia que no interviene en la destrucción del deuterio, pero que si contribuye gravitacionalmente a la formación de estructura.

Resumiendo, hay un modelo, el modelo de $\Lambda $CDM el cual es un modelo muy exitoso, que explica muy bien las observaciones del universo en el ámbito cosmológico, pero que presenta algunos problemas en el ámbito galáctico. Ahora el reto es proponer un modelo del universo que pueda explicar bien el universo en su conjunto. Un reto que seguramente conducirá a la ciencia a nuevos horizontes, a nuevos conocimientos, a nueva física. Ya es claro que la física existente no puede explicar el universo en su conjunto, por eso este es un reto para la física actual. De cualquier forma, esta discusión aun no termina y esta en su momento más emocionante. Realmente vale la pena estar ahí para vivirlo.