Esas maravillosas partículas – 19/22 – La materia oscura

Continuamos hoy buceando por el extraño pero fascinante mundo de las partículas subatómicas dentro de la serie Esas maravillosas partículas. Hace ya unos cuantos artículos que estamos hablando de partículas que no están dentro del Modelo Estándar de partículas subatómicas. Existen multitud de partículas hipotéticas fuera del modelo, unas más plausibles que otras, y estamos hablando de las que más felices harían a muchos físicos si se descubrieran (ni qué decir tiene que otros se comerían el sombrero).

Hoy no vamos a hablar de ninguna partícula específica, sino de un asunto más amplio y que necesitamos mencionar antes de estudiar algunas partículas que llegarán a la serie en breve. Antes de seguir con más “maravillosas partículas” haremos un pequeño interludio para hablar sobre una Terra incognita de la cosmología moderna: la materia oscura. Algunos lleváis esperando este artículo (así como otro sobre la energía oscura, que llegará tarde o temprano) durante meses, de modo que espero que me perdonéis la tardanza y disfrutéis de la lectura.

La razón de que hablemos de ella en esta serie es sencillamente que, como veremos a lo largo de esta entrada, una de las explicaciones más satisfactorias de la existencia de la materia oscura para la mayor parte de los físicos es precisamente la existencia de partículas elementales hipotéticas, de características algo peculiares. Pero antes de postular más partículas, ¿por qué necesitamos hacerlo? En otras palabras –y estoy convencido de que muchos de vosotros habéis pensado esto con palabras algo más fuertes–, ¿qué diablos es la famosa materia oscura?

Aquí tienes mi definición: la materia oscura es todo lo que no vemos ni sabemos lo que es, pero pensamos que está ahí. No intimida tanto como el nombre parece sugerir, ¿no? En cierto sentido, es como el nombre Terra incognita que los cartógrafos solían aplicar a los territorios aún no explorados. Ahí había algo, desde luego, pero nadie sabía qué. Es más sencillo decir materia oscura que lo que sabemos que hay en el Universo pero que no tenemos ni la más remota idea de lo que es. Además, el físico que utiliza la primera expresión suena más sabio, ¿y a qué físico no le gusta sonar sabio ante el profano?

Desde luego, no podemos quedarnos aquí. En primer lugar, ¿por qué pensamos que hay algo que no vemos? Y en segundo lugar, aunque no sepamos lo que es, no podemos simplemente marcar los mapas del cosmos con “Aquí hay dragones”: ¿qué alternativas plausibles hay? ¿qué cosas podría haber ahí fuera que no podamos ver de ninguna manera?

Para entender la razón de que pensemos que hay muchas cosas ahí fuera que no vemos hace falta comprender el concepto de velocidad orbital, que ya mencionamos al hablar acerca del ascensor espacial. Básicamente, cuando un objeto gira alrededor de otro debido a la fuerza de la gravedad, la velocidad con la que se mueve depende de la distancia al centro de gravedad y de la masa que atrae al objeto.

Un ejemplo algo tonto: si la Tierra tuviera menos masa de la que tiene, la fuerza de atracción sobre la Luna sería menor y la velocidad de nuestro satélite a nuestro alrededor, si se mantuviera en la misma órbita, sería más pequeña. Del mismo modo, si la Luna se encontrase más cerca de nosotros, necesitaría moverse más deprisa para mantener la distancia. Dicho de otra manera: sabiendo la velocidad de la Luna y su radio de giro es posible determinar la masa del objeto que la atrae hacia el centro, en este caso la Tierra.

Es decir, alguien podría no ver la Tierra sino simplemente la Luna, medir el radio de su órbita y su velocidad de giro: a partir de estos datos (ni siquiera hace falta la masa de la Luna) sería posible calcular la masa del objeto que la hace girar, es decir, la Tierra.

Bien, esto precisamente estaba haciendo en 1933 el astrofísico suizo Fritz Zwicky, sólo que no lo hacía para la Tierra y la Luna, sino para un cúmulo de galaxias muy lejano, el Cúmulo de Coma, que se encuentra a unos 321 millones de años-luz de nosotros. Las galaxias de ese cúmulo, como las de todos ellos, se encuentran realizando órbitas alrededor del centro de gravedad del cúmulo. Zwicky estimó la masa total del cúmulo de galaxias a partir del brillo de las estrellas, suponiendo que se trataba de galaxias “normales”, con una proporción determinada de masa en las estrellas frente a materia menos visible, como nubes de gas y polvo. Luego calculó la misma masa a partir de la velocidad de las galaxias y la distancia al centro de gravedad del cúmulo – algo similar a lo que he descrito en el párrafo anterior, aunque bastante más complicado (pero eso no viene al caso ahora).

coma
Cúmulo de Coma. [Versión a 4097x3557 px](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/90/Comasluster_nasajpl.jpg “”). Crédito: NASA/JPL-Caltech/GSFC/SDSS.

Lo importante es que el resultado parecía totalmente absurdo: la masa del cúmulo, calculada a partir de la velocidad de las galaxias, era mayor que la masa visible. Pero no era sólo un poco mayor, algo que podría deberse a algún fallo en el cálculo o alguna fracción de la masa que no se pudiera haber visto bien. Ni siquiera era bastante mayor: era 400 veces más masivo de lo que se veía. Zwicky se dio cuenta rápidamente de que había algo muy, muy importante ahí mismo – algo que no se podía ver, pero que debía estar allí. Algún tipo de materia que, por razones desconocidas, no se podía detectar desde la Tierra.

Posteriormente se realizaron distintos cálculos en muchas partes del firmamento, y la conclusión era siempre la misma: hay mucha más masa ahí fuera que la que podemos ver. En particular, el trabajo de Vera Rubin a finales de los 60 y principios de los 70 mostró que todas las galaxias espirales que podemos ver giran más deprisa de lo que necesitarían, si su masa fuera la que percibimos. La conclusión, una vez más, es que en ellas hay mucho que no podemos ver. Con lo de “podemos ver” no sólo me refiero a las estrellas: gran parte del gas y el polvo interestelares son visibles de una u otra forma, porque absorben y emiten radiación más o menos energética. Lo que falta por ver no es simplemente “difícil de ver”: nos es totalmente invisible.

Además, como en el caso de Zwicky, no se trata de un pequeño desajuste entre lo que vemos y lo que nuestros cálculos indican que está ahí. Para que te hagas una idea, observa el siguiente diagrama de la composición estimada del Universo:

oscura

Aparte de la energía oscura (de la que hablaremos en algún otro momento, pero que es otra forma de decir “Aquí hay dragones”), fíjate en la diferencia entre la materia que vemos y la materia oscura: ¡un 4% frente a un 23%! Esto quiere decir que, de acuerdo con nuestros cálculos, ahí fuera hay casi seis veces más materia oscura que la normal. No es un problema de un leve ajuste: realmente no tenemos ni idea de cómo es el Universo.

Naturalmente, los físicos se dedicaron entonces a tratar de explicar la razón de esta diferencia tan catastrófica entre lo que vemos y lo que calculamos. Básicamente existen dos explicaciones posibles, y aún no estamos completamente convencidos de cuál es la correcta:

  • Nuestros cálculos están mal. Esto sería posible si, por ejemplo, nuestras concepciones de la gravitación o de la inercia son erróneas. Existen modelos alternativos que definen una gravedad modificada respecto a la de Einstein, modificaciones de las Leyes de Newton e incluso intentos de construir una teoría cuántica de la gravedad que justifique las observaciones. Sin embargo, ninguno de estos modelos ha logrado hasta el momento ajustarse a las observaciones que hemos realizado.
  • Realmente hay algo ahí fuera que no vemos. Si es así, nuestros esfuerzos deben dirigirse en primer lugar a postular hipótesis sobre la naturaleza de ese algo (porque “materia oscura”, por mucho que impresione al lego, no llega muy lejos), y en segundo lugar a tratar de detectarlo. Sí, es invisible para muchos de nuestros medios de observación, pero hay que encontrar alguna manera en la que sí pueda detectarse directamente.

De hecho, hemos detectado indicios de materia oscura difíciles de ignorar varias veces. El problema, en general, es que parece estar localizada en los lugares en los que hay materia normal (como los halos de las galaxias), como si estuviera mezclada con ella. Sin embargo, hemos tenido suerte en alguna ocasión, cuando colisiones tremendas han separado temporalmente la materia oscura de la materia que podemos ver. Ya hablamos hace un año de una de estas observaciones, en la que se observó la influencia gravitatoria de un anillo enorme de materia que deformaba la luz que nos llega, pero que era totalmente invisible en todas las longitudes de onda.

Aquí puedes ver una imagen del cúmulo en el que se detectó este anillo, combinada con la influencia gravitatoria de la materia que no vemos, que se muestra como un anillo más oscuro (la imagen está tratada, realmente no se ve el anillo sino su influencia gravitatoria):

Anillo de materia
Anillo de materia oscura. [Versión a 1280x1280 px](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c3/CL0024%2B17.jpg “”). Crédito: NASA.

Este tipo de observaciones hacen que la mayor parte de los científicos sean partidarios de la segunda de las posibilidades de las que hemos hablado arriba, es decir, pensamos que sí que hay algo en el Universo que no podemos ver y que aporta un porcentaje tremendo de su masa total. Con lo que tenemos que preguntarnos qué diablos es, y para eso también hay, básicamente, dos posibilidades que no se excluyen mutuamente con un nivel de aceptación razonable:

  • Se trata de objetos estelares difíciles de ver. Es decir, es materia normal a nivel subatómico, con lo que su masa estaría fundamentalmente formada por protones y neutrones, como la demás, pero estos cuerpos celestes pueden ser casi imposibles de ver por no emitir radiación y ser muy compactos. Se trataría, en cualquier caso, de materia oscura compuesta por bariones, es decir, materia oscura bariónica.
  • Se trata de partículas subatómicas más o menos exóticas. En este caso no estaríamos hablando de bariones –como los protones y neutrones– sino de otras partículas, como los neutrinos o incluso partículas hipotéticas no pertenecientes al Modelo Estándar. Como te puedes imaginar, esta sería la posibilidad más interesante y va a llevarnos a hablar en la serie de algunas de estas partículas. En este caso estaríamos hablando de materia oscura no bariónica.La primera opción es menos revolucionaria. Sí es cierto que hay algunos objetos estelares compuestos de materia normal y corriente que son muy difíciles de ver, como los agujeros negros, las estrellas de neutrones o las enanas marrones, sobre todo si están aislados. Pero recuerda que para explicar la gigantesca cantidad de masa que nos queda por ver haría falta un número enorme de estos objetos, y la mayor parte de ellos suelen estar dentro de sistemas estelares normales, con lo que son más fáciles de detectar.

Puesto que este tipo de objetos deberían ser muy masivos y compactos y encontrarse fundamentalmente en los halos de las galaxias, se denominan MACHOs: Massive Astrophysical Compact Halo Objects, o lo que es lo mismo, Objetos Astrofísicos de Halo Masivos y Compactos. El nombre es algo rebuscado porque es algo jocoso, y pretende ser precisamente la palabra “macho”. La razón es que la otra alternativa fundamental, de la que hablaremos en el siguiente artículo de la serie, es justo lo contrario: algo pequeño y sutil que, como veremos, es algo así como un “alfeñique”. ¿Quién ha dicho que los astrofísicos no pueden divertirse con nombres estúpidos de vez en cuando? Aunque la verdad es que, como enclenque y alfeñique que soy, no me hace demasiada gracia el nombre.

Macho
MACHO (agujero negro aislado actuando de lente gravitatoria). Crédito: Ute Kraus (CC 2.0 Attribution Sharealike License).

La explicación de los MACHOs tiene diversos problemas. Uno de ellos es que la mayor parte de ellos son díficiles de detectar, pero no imposibles de detectar. Para explicar una masa total del Universo debida a ellos mucho mayor que la que podemos ver debida a las estrellas normales hacen falta muchísimos, y hasta ahora no se ha detectado el número suficiente ni de lejos. Además, los modelos de nucleosíntesis que describen la formación de átomos después del Big Bangindican que no es posible que se hayan formado tantísimos protones y neutrones comparados con el resto de partículas fundamentales como para justificar la existencia de esa legión de MACHOsque no vemos.

Desde luego, nadie duda de que hay muchos MACHOs (no, no voy a hacer ninguna broma fácil), y hemos hablado de varios tipos de ellos en La vida privada de las estrellas. Se han observado, directa o indirectamente, todos ellos, y cada vez somos más eficaces en detectarlos. De hecho, se piensa que estos objetos escurridizos tal vez representen hasta un 20% de la materia oscura de nuestra galaxia si nos ponemos generosos – pero parece difícil que ellos solos sean la explicación.

Ahí entra, por fin, la física de partículas en la que tanto nos regodeamos en esta serie: ¿qué partículas subatómicas servirían para explicar la materia oscura? Sólo hay una partícula subatómica del Modelo Estándar que reúne las características necesarias para explicar esa tremenda cantidad de masa invisible, pero la mayoría de los cosmólogos piensa que debe haber algo más que constituya la mayor parte de la materia oscura. ¡Ah, pero de eso hablaremos en la próxima entrada de la serie!

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Pedro Gómez-Esteban González. (2009). El Tamiz. Recuperado de: https://eltamiz.com

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