¿Es posible que existan galaxias hechas de antimateria?

En este blog he tratado varias veces el tema de la antimateria, como en esta entrada en la que explicaba qué es, en esta otra donde hablaba de los materiales más caros y esta otra en la que mencionaba cuáles son los materiales más mortíferos. Como podréis comprobar si leéis los artículos (guiño, guiño), la antimateria es un material bastante extremo y, por tanto, interesante.

En resumidas cuentas, la antimateria es la versión de la materia ordinaria que tiene propiedades opuestas.

Por ejemplo, los protones que contienen los núcleos de los átomos que componen nuestro cuerpo tienen carga positiva, pero los anti-protones tienen carga negativa. Los electrones tienen carga negativa pero su versión en antimateria, los positrones, tienen carga positiva. También hay antineutrones que, pese a que no tienen carga eléctrica, difieren de los neutrones ordinarios porque su número bariónico es -1 en lugar de +1 (lo sé, lo sé, tengo pendiente hablar de partículas subatómicas).

O sea, que un átomo de antimateria tendría esta pinta:

Y… Bueno, no hay muchas más diferencias. Aunque pueda parecer extraño para un material que parece sacado de una novela de ciencia-ficción, la antimateria en sí no tiene ninguna otra propiedad emocionante. Como explico en mi libro “El universo en una taza de café” (disponible en España y México en librerías y a través de internet, tanto en formato físico como electrónico, guiño, guiño), en su día se pensó que la antimateria podía poseer propiedades antigravitatorias y que tal vez formaba parte de la cola de los cometas. Por supuesto, hoy sabemos que no es así.

Algo más interesante es lo que ocurre cuando la materia y la antimateria se encuentran: ambas se desintegran y el 100% de su masa se convierte en energía (en forma de rayos gamma, para ser más concretos). En comparación, sólo el 0,7% de la masa fusionada se convierte en energía durante las reacciones de fusión nuclear que hacen brillar las estrellas y estallar nuestras bombas termonucleares.

La explosión de una bomba termonuclear durante la prueba Castle Bravo en 1954. De haber contenido antimateria en lugar de hidrógeno, hubiera liberado 140 veces más energía.

Pero, por fascinante que parezca, la existencia de antimateria tiene su parte incómoda: las teorías actuales que describen la formación del universo predicen que durante el Big Bang habría aparecido la misma cantidad de materia que de antimateria. Esto significa que la materia y la antimateria se deberían haber aniquilado mutuamente casi en el momento de su formación. En este escenario, toda la materia que ha dado lugar a estrellas, planetas y seres inteligentes que se están preguntando cómo diablos pueden existir hubiera sido desintegrada poco después del nacimiento del universo… Y no estaría aquí escribiendo esta entrada.

Ya, bueno, pero deberías tener en cuenta que el Big Bang es sólo una teor…

Para el carro, voz cursiva, que te veo las intenciones. En esta entrada y esta otra hablé sobre la teoría del Big Bang y todas las pruebas que señalan que, en efecto, parece que va bien encaminada a la hora de describir el origen del universo.

Dicho esto, partiendo de la suposición de que las predicciones actuales sobre la formación del universo son correctas, ¿adónde habría ido a parar toda esa supuesta antimateria?

Se han sugerido varias soluciones a este problema, entre ellas que exista algún fallo en nuestras teorías y que, por algún motivo, el Big Bang favoreció la creación de materia más que la de antimateria. En este caso, al principio se habría creado un poco más de materia que de antimateria y toda la materia contenida en el universo actual sería el exceso de materia que sobró después de que el resto se desintegrara. También puede ser que aún no entendamos del todo las propiedades de la antimateria y que durante la formación del universo ni siquiera se formara una cantidad considerable de ésta. En ambos casos, la cantidad de antimateria que contendría el universo en la actualidad sería prácticamente nula.

Pero existe una tercera posibilidad que, aunque no es necesariamente la más plausible, desde luego es la más interesante: que durante el Big Bang apareciera la misma cantidad de materia que de antimateria, pero que la rápida inflación del universo las separara tan deprisa que evitó que entraran en contacto y se aniquilaran. En este escenario, la antimateria hubiera seguido evolucionando por su cuenta en su propio rincón del universo, igual que la materia ordinaria, formando nubes de gas de antihidrógeno y antihelio que terminarían por dar lugar a galaxias de antimateria, con sus propias estrellas y sus planetas. Si este fuera el caso, entonces sería posible que una gran cantidad de las galaxias que vemos a través de nuestros telescopios estuviera en realidad compuestas por antimateria.

¿¡QUÉ DICES!? ¡¿Y lo están?!

Bueno, es una pregunta más difícil de responder de lo que parece.

¿Cómo que es difícil? ¿No se ve con un telescopio? Seguro que un compuesto químico formado por átomos de antimateria tiene el color contrario que uno compuesto por materia ordinaria o algo así, ¿no?

Hmmmmm, no. Será mejor que contextualicemos todo esto un poco.

En primer lugar, aún no hemos podido observar qué aspecto tiene la antimateria a nivel macroscópico porque, de momento, hemos podido producir muy poca: incluso si usáramos toda la energía que genera el mundo anualmente para generar antimateria en nuestros aceleradores de partículas, tardaríamos 10 millones de años en producir un sólo kilo de esta sustancia. Para empeorar las cosas, sólo la hemos conseguido mantener confinada unos minutos antes de que toque algo y se desintegre.

Por otro lado, volviendo al tema del color de la antimateria, no hay ningún motivo para pensar que, por ejemplo, una Tierra hecha de antimateria tuviera un aspecto distinto, ya que lo que determina el color de las cosas es la interacción de la luz con los átomos. Como los fotones tienen carga neutra, les da igual que un átomo esté formado por un núcleo positivo rodeado de cargas negativas o de un núcleo negativo con cargas positivas. Al final, el resultado tras interaccionar con él será el mismo.

De la misma manera, los fotones emitidos por la antimateria no se diferencian de los emitidos por la materia ordinaria. En realidad, técnicamente los antifotones sí que existen, pero son exactamente iguales que los fotones a los que estamos acostumbrados. Y, por supuesto, cuando hablo de fotones no sólo me refiero a la luz visible: cualquier tipo de radiación electromagnética emitida por una estrella hecha de antimateria (o cualquier otro objeto) será indistinguible de la emitida por la materia ordinaria.

El espectro electromagnético de un elemento formado por partículas de antimateria también debería ser idéntico al del mismo elemento hecho de partículas ordinarias, así que observar las líneas espectrales de una estrella nos permite conocer su composición química, pero no nos dirá si está compuesta de materia o de antimateria. Y, claro, como he comentado, el campo gravitatorio de un objeto hecho de antimateria será idéntico al de uno compuesto por materia ordinaria, así que eso tampoco nos va a dar ninguna pista.

Entonces estamos cascados, ¿no? Si las ondas electromagnéticas y, de manera más reciente, las ondas gravitacionales, son las únicas herramientas que tenemos para estudiar el universo, ¿cómo se supone que vamos a detectar la antimateria, si no podemos distinguirla de la materia ordinaria en ninguno de los dos casos?

No te preocupes, voz cursiva, que por suerte a los astrónomos aún les quedan un par de ases bajo la manga que podrían permitirles saber si alguna de esas galaxias lejanas que tenemos frente a nuestras narices está hecha de antimateria.

Uno de ellos es el análisis de los rayos cósmicos.

Representación de un rayo cósmico provocando una cascada de partículas al interaccionar con la atmósfera. (Fuente)

Los rayos cósmicos son partículas cargadas con una energía muy alta que vagan por el espacio. Si su trayectoria es la adecuada, terminan llegando hasta la Tierra y haciendo acto de presencia al estrellarse contra alguno de nuestros detectores o al hacer que los gases de la atmósfera se descompongan y/o emitan luz al chocar contra ellos. El responsable de la alta energía de estas partículas es la velocidad a la que se mueven, ya que se suelen desplazar a entre el 43% y el 99,6% de la velocidad de la luz (aunque los hay mucho más rápidos y energéticos, como la partícula “Oh-My-God” de la que hablaba en esta entrada).

No se conoce el origen exacto de estas partículas tan extremas, pero acelerar partículas hasta estas velocidades requiere la intervención de un fenómeno muy energético. Es por eso que los candidatos principales de su emisión son las supernovas y la actividad cercana a los agujeros negros del centro de las galaxias.

Sagitario A*, el núcleo activo de la Vía Láctea. (Fuente)

En cuanto a su “composición”, el 89% de los rayos cósmicos que llegan hasta la Tierra son simples protones. Núcleos de hidrógeno sin un electrón que los acompañe, vaya. El 10% son núcleos de helio, formados por dos protones y dos neutrones, y el 1% restante se corresponde con elementos más pesados.

Y aquí viene lo importante: detectar un sólo núcleo de antihelio cerca de la Tierra sería una señal muy convincente de que podrían existir galaxias hechas de antimateria ahí fuera.

Eh, eh, eh, eh, acabas de pasar de 0 a 100 en una décima de segundo. ¿Por qué antihelio? ¿Por qué no antirpotones, que son mucho más abundantes?

Porque los antiprotones (núcleos de antihidrógeno) se forman de manera natural en las capas altas de la atmósfera terrestre debido al bombardeo constante de la radiación cósmica. Incluso los rayos que tienen lugar durante las tormentas crean antimateria de manera indirecta, que sale disparada hacia el espacio.

O sea que, como los antiprotones no llegan hasta la Tierra con un cartelito en el que pone si vienen de una galaxia lejana o han sido creados en nuestra propia atmósfera, no son una prueba convincente.

Pero, por otro lado, es extremadamente improbable que un fenómeno natural cerca de la Tierra produzca un núcleo de antihelio, una estructura estable, formada por dos antiprotones y dos antineutrones. La probabilidad de que uno de estos núcleos más complejos se forme cerca de la Tierra es tan increíblemente baja, que si detectáramos un sólo núcleo de antihelio en nuestras inmediaciones no cabría más remedio que asumir que ha llegado hasta nosotros desde alguna galaxia lejana, donde habría sido propulsado en nuestra dirección por un fenómeno muy energético (como la explosión de una estrella de antimateria en forma de supernova) hace millones de años.

No sé, eh, Ciencia de Sofá. Todo esto me parece demasiado fantasioso y no sé si tomarte en serio.

Pues coméntale eso a la NASA, que se ha tomado la idea suficientemente en serio como para invertir 2.000 millones de dólares en la construcción de un aparato que está acoplado a la Estación Espacial Internacional y que está buscando ese núcleo de antihelio que nos daría tantas pistas sobre el origen del universo. No te ofendas, pero me fío más del criterio de la NASA que del tuyo, voz cursiva.

Bueno, pero ese proyecto también hace otras cosas, ¿me equivoco?

Vale, ahí me has pillado.

El caso es que las partículas que forman los rayos cósmicos tienen carga eléctrica, así que pueden ser desviadas por un campo magnético. Los núcleos de los átomos de antimateria, al tener la carga contraria a la materia ordinaria, serán desviados en la dirección opuesta en presencia de un campo magnético.

En este caso en la imagen se habla de electrones y positrones, pero a el principio es el mismo en el caso de los núcleos atómicos de materia y antimateria. (Fuente)

Y este es el principio que usa el Alpha Magnetic Spectrometer 02 (AMS-02), montado en la Estación Espacial Internacional, para detectar núcleos de antihelio: cuenta con un aro magnético desvía los rayos cósmicos que pasan a través de él y registra la dirección en la que lo hacen. Midiendo la masa de la partícula y conociendo su carga, puede saber si ha detectado materia o antimateria, si se trata de un núcleo atómico y si ese núcleo atómico es de antihelio o de una partícula de antimateria más ligera.

Hmmmm… ¿Y ha encontrado alguno?

Pues… No, de momento no ha detectado ningún núcleo de antihelio.

¿Ves? ¡Y decías que te fías más de la NASA que de mí! ¡Craso error!

Espera, espera. Por supuesto, no haber detectado ningún núcleo de antihelio podría significar que no hay galaxias de antimateria… Pero también podría ser que sí que existieran, pero que sólo una porción minúscula de los núcleos de antimateria que están lanzando al espacio llegan hasta nosotros, lo que haría su detección muy improbable.

Y esto tiene sentido, porque debes tener en cuenta que un átomo de antihelio que saliera despedido de otra galaxia tendría muchas probabilidades de desintegrarse por el camino al interaccionar con la materia ordinaria. No es una idea descabellada, teniendo en cuenta que podemos estar separados de estas galaxias por miles de millones de años luz. Además, el propio hecho de que los rayos cósmicos tengan carga eléctrica los hace muy susceptibles a ser desviados por un campo magnético, lo que dificulta aún más que uno de ellos pueda llegar hasta el interior del sistema solar.

En resumen: en caso de que existan galaxias de antimateria, cabría esperar que muy pocos núcleos de antihelio lleguen hasta nosotros, así que no podemos descartar la posibilidad sólo porque aún no hayamos detectado ninguno. A menos que otra línea de estudio demuestre que, por la razón que sea, no pueden existir galaxias de antimateria, el hecho de que aún no hayamos detectado núcleos de antihelio no nos permite descartar la idea por completo.

Pftz, pues menudo fiasco… ¿Y qué se supone que tenemos que hacer mientras tanto? ¿En serio no hay otra manera de detectar la antimateria?

Bueno, la colisión entre una galaxia de materia y otra de antimateria sería un evento que desde luego no pasaría desapercibido. De hecho, los astrónomos están observando colisiones entre cúmulos de galaxias lejanos en busca de señales de la emisión de grandes cantidades de rayos gamma que cabría esperar si estuvieran interaccionando grandes masas de materia y antimateria.

Uno de los cúmulos estudiados, donde no se han encontrado señales de antimateria. (Fuente)

Pero, de momento, en este campo tampoco ha habido suerte: no hay señal de que ninguna de las galaxias que se han estudiado estén compuestas por antimateria.

En definitiva, ¿podría ser que regiones enteras del universo estuvieran compuestas por un tipo de materia que se desintegra junto con la materia ordinaria que entra en contacto con ella?

Hay que decir que, de momento, parece que la idea está bastante descartada y que seguramente en el universo no haya una cantidad significativa de antimateria, pero los astrónomos tienen la mente abierta ante la posibilidad. Sea como sea, será mejor que lo descubramos antes de que alguien ponga el pie sobre el primer planeta extragaláctico.

 

 

Pero aún no os vayáis, porque me falta ofreceros un pedazo de materia ordinaria que os podría interesar.

Ciencia de Sofá tiene un libro nuevo, “Las 4 fuerzas que rigen el universo“, donde hablo sobre cómo las cuatro fuerzas fundamentales dan forma a nuestro universo, su descubrimiento y su efecto sobre nuestras vidas. Por otro lado, el libro “viejo” (“El universo en una taza de café“) va por la tercera edición y ahora vuelvo a ofrecer suscripciones a la revista de National Geographic así que, si os interesa alguna de estas propuestas, podéis acceder a una entrada donde las explico con más detalle haciendo click sobre la siguiente imagen 🙂