609 76 52 51 -- ASSOCIACIÓ ASTRONÒMICA SANT CUGAT-VALLDOREIX astronomia-junta@astronomia.cat

Ressenya

Dr. Enrique Fernández

22 Juny 2017
En cosmologia matèria fosca és un tipus de matèria hipotètica, de composició desconeguda, que no emet ni reflecteix prou radiació electromagnètica perquè es pugui detectar directament, però la presència de la qual es pot inferir a partir dels efectes gravitatoris sobre la matèria visible, com estrelles i galàxies. El primer a utilitzar el terme fou l’astrofísic Fritz Zwickyel 1933. Aquesta hipòtesi intenta explicar diverses observacions astronòmiques actualment sense explicació, com les anomalies en la rotació d’algunes galàxies. A partir de les observacions s’estima que, si realment existeix aquesta matèria fosca, hauria de ser molt més abundant que la matèria visible, directament observable; en concret el 4% seria la matèria visible, el 24% seria matèria fosca i el restant 71% seria energia fosca. A més a més, la matèria fosca també podria resoldre certs problemes del model del Big Bang, seria clau en la formació de les primeres estructures cosmològiques i podria estar relacionada amb la supersimetria. Actualment el problema de la matèria fosca i la determinació de la seva naturalesa és un dels temes més importants en cosmologia i en física de partícules. L’evidència de matèria fosca la matèria fosca fou hipotetitzada per l’astrofísic suís Fritz Zwicky el 1933 mentre estimava la massa total del cúmul de Coma, un cúmul de galàxies, basant-se en el moviment de les galàxies més exteriors. Quan comparà la massa calculada d’aquesta forma amb la calculada a partir de les galàxies observades i l seva brillantor, va trobà que la massa era 400 vegades superior a l’esperada. La gravetat de les galàxies visibles centrals del cúmul era massa petita per provocar la gran velocitat de les galàxies exteriors, de manera que havia d’haver-hi més massa per algun lloc. El problema no resolt en física: És la matèria fosca la responsable de la rotació anòmala de galàxies? Si realment existeix, quin tipus de matèria és?. Un dels problemes de la matèria fosca és descobrir de què està formada: és matèria normal que simplement no podem observar? O és matèria formada per partícules fins ara desconegudes? En aquest darrer cas, com encaixarien aquestes partícules en els models actuals de constitució de la matèria? S’han proposat diverses possibilitats per explicar la composició de la matèria fosca, que podem resumir parlant de la Matèria fosca bariònica.

  • Matèria fosca bariònica. Seria matèria fosca formada per matèria normal, però que emet molt poca radiació. Les grans masses, com els forats negres galàctics, en queden excloses, ja que es poden detectar per altres mitjans. Les possibilitats que resten són les nanes  Malgrat que aquests objectes poden contribuir certament a la quantitat observada de matèria fosca, actualment es considera que només en representarien una part molt petita. L’energia fosca és una forma hipotètica d’energia que permea tot l’espai i que produeix una pressió negativa que origina una força gravitacional repulsiva. L’existència de l’energia fosca és una hipòtesi postulada per explicar l’observada expansió accelerada de l’univers, així com per explicar la major part de la seva massa. El terme «energia fosca» fou encunyat pel cosmòleg Michael Turner  en 1998. Dues possibles formes de l’energia fosca són la constant cosmològica, una densitat d’energia contant que omple l’espai de forma homogènia, i l’anomenada quinta essència, un camp dinàmic la densitat d’energia del qual pot variar en el temps i l’espai. Per distingir l’una de l’altra es necessiten mesuraments molt precisos de l’expansió de l’univers, per veure si la velocitat d’expansió canvia amb el temps. Aquestes mesures s’investiguen actualment. No s’ha de confondre l’energia fosca amb la matèria fosca, ja que encara que ambdues semblen formar la major part de la massa de l’univers, la matèria fosca és una forma de matèria, mentre que l’energia fosca és un camp que omple tot l’espai. Indicis de l’existència d’energia fosca. El 1998 es va descobrir, mitjançant observacions de supernoves del tipus Ia molt llunyanes, que l’expansió de l’univers s’estava accelerant. Des de llavors, aquesta acceleració s’ha confirmat mitjançant l’estudi del fons còsmic de microones, delents gravitatòries i de la nucleosíntesi primigènia d’elements lleugers. Les supernoves del tipus Ia proporcionen l’evidència directa més important de l’existència de l’energia fosca. A causa de l’expansió de l’univers, totes les galàxies llunyanes s’allunyen aparentment de nosaltres, mostrant un desplaçament cap al roig en l’espectre lluminós a causa de l’efecte Doppler. Aquest desplaçament ens indica l’edat d’un objecte llunyà de forma proporcional, però no absoluta. Per exemple, estudiant l’espectre d’un quàsar podem saber si es va formar quan l’univers tenia un 20% o un 30% de l’edat actual, però no podem saber l’edat absoluta de l’univers. Per a això cal mesurar amb precisió l’expansió cosmològica. El valor que representa aquesta expansió en l’actualitat s’anomena constant de Hubble. Per a calcular aquesta constant s’utilitzen indicadors o «fars» estàndard, determinats objectes astronòmics amb una relació entre distància i magnitud absoluta coneguda i ben determinada. Les supernoves del tipus Ia són uns d’aquestes fars estàndard, a causa de la seva gran magnitud absoluta, cosa que possibilita que es puguin observar fins i tot en les galàxies més llunyanes. El 1998 diverses observacions d’aquestes supernoves en galàxies molt llunyanes (i per tant, joves) van demostrar que la constant de Hubble no és tal, sinó que el seu valor varia amb el temps. Fins a aquest moment es creia que l’expansió de l’Univers s’estava frenant a causa de la força gravitatòria; no obstant això, es va descobrir que s’estava accelerant, per la qual cosa es va deduir que havia d’existir algun tipus de força que provoqués aquesta acceleració. Posteriors observacions del fons còsmic de microones i de la proporció d’elements formats en el Big Bang han posat un límit a la quantitat de matèria bariònica i matèria fosca que pot existir en l’univers. Aquests estudis indiquen que el 71% de la massa de l’univers està formada per l’energia fosca, un 24% és matèria fosca(freda i calenta) i un 4%matèria bariònica(la matèria comuna de la nostra experiència). Una altra possibilitat és que l’energia fosca sorgeixi a partir d’excitacions corpusculars d’algun tipus de camp dinàmic. Aquest camp difereix de la constant cosmològica pel fet que pot variar en el temps i en l’espai. Com que no s’acumula i no forma estructures com la matèria bariònica(la matèria corrent) ha de ser un camp molt feble i, per tant, tenir una longitud d’ona molt gran. No es disposa de cap prova experimental d’algun tipus de camp dinàmic, però tampoc no se’n pot descartar l’existència. En general, prediu una acceleració lleugerament menor que la constant cosmològica. Alguns investigadors creuen que les millors evidències de camp dinàmic són les violacions del principi d’equivalència d’Einstein i de la variació de les constants fonamentals en l’espai o en el temps.

El problema de la coincidència còsmica es planteja per què l’acceleració còsmica començà quan ho va fer. Si l’acceleració còsmica hagués començat més aviat, estructures com les galàxies mai no s’haurien format i la vida, si més no tal com la coneixem, no hauria pogut existir. Els defensors del principi antròpic consideren aquest fet com un suport per als seus arguments. Tot i així, molts models d’algun tipus de camp dinàmic presenten un comportament que s’ajusta contínuament a la densitat d’energia (però sempre és lleugerament inferior), fins a la igualtat matèria radiació, que és el que fa que algun tipus de camp dinàmic es comenci a comportar com a energia fosca.

Carme Mas-AASCV

Translate »