revista de divulgación del Instituto de Astrofísica de Andalucía
La inclasificable materia oscura
Siempre resulta embarazoso para un científico explicar y tratar de describir algún aspecto de la naturaleza en el que prima más lo que se desconoce que lo que se sabe, aunque también resulta un ejercicio de humildad y consciencia de las propias limitaciones de nuestra especie para comprender lo que nos rodea y, por extensión, de la ciencia misma. Yo voy a tratar de hacerlo con uno de los temas más difíciles y controvertidos que hay en la actualidad, la materia oscura. Se cumplen ya ciento cincuenta años del establecimiento de la tabla periódica de los elementos, aquella que clasifica los constituyentes básicos de la materia y que resulta imprescindible para tratar de comprenderla. Así que no deja de resultar una paradoja que los astrónomos hayamos descubierto que más de un 80% de todo lo que hay en el universo y siente la fuerza atractiva de la gravedad está probablemente fuera de esta tabla que todo lo comprende en nuestro entorno más próximo.
El inicio de este problema aún por resolver comenzó en 1933, cuando el astrónomo suizo Fritz Zwicky midió las velocidades a las que se desplazaban las galaxias pertenecientes a grandes cúmulos de galaxias lejanos. Como la fuerza de la gravedad es universal, a pesar de que las escalas que involucran estos movimientos son mucho mayores que las de nuestro propio Sistema Solar, las ecuaciones que relacionan estas velocidades con las masas que las causan son las mismas. Zwicky llegó a la conclusión de que la proporción entre la masa real de esos cúmulos de galaxias y la que se podía calcular a partir de la luz emitida por sus estrellas eran muy diferentes, hasta el punto de que los cúmulos parecían estar compuestos en una proporción de quinientos a uno por algo invisible que él denominó dunkle materie, es decir, materia oscura. Por la misma época, Horace Babcock hizo las primeras y pioneras medidas de las velocidades de rotación de las estrellas en torno al centro de la galaxia de Andrómeda en zonas lo bastante alejadas, llegando a la conclusión de que la distribución de masa en el disco se extiende mucho más allá de donde se ve la luz.
Durante varias décadas los trabajos de Babcock y, sobre todo, de Zwicky, que era algo estrafalario aunque, en muchos aspectos, adelantado a su tiempo, fueron ignorados, hasta que otros resultados empezaron a confirmar sus hipótesis ya en la década de los años 1970. Entre ellos, la excesivamente elevada velocidad con que la galaxia de Andrómeda se aproxima a la nuestra, lo que llevó a Ostriker, Peebles y Yahil a recuperar la materia oscura como argumento, o las curvas de rotación planas medidas por Vera Rubin en una muestra representativa de galaxias, lo que demostraba ya de manera convincente la naturaleza ubicua de halos de materia oscura mucho más allá de los radios luminosos de todas las galaxias. En esa época ya se estableció que la proporción global de materia oscura era entre cinco y diez veces superior a la de la materia ordinaria, dependiendo de la cantidad de materia ordinaria no visible.
Más recientemente se han añadido evidencias que ponen aún más de manifiesto la existencia de la materia oscura, como es el caso del llamado Cúmulo Bala, que en realidad son dos cúmulos de galaxias en colisión observados en 2004 en rayos X y que muestran que los centros de gravedad están alejados de la posición del gas caliente, donde se halla la mayoría de la materia bariónica, y en cambio se encuentran donde están las escasas estrellas formadas a causa de la colisión y, por tanto, donde está la materia oscura. Se ha denominado a este peculiar objeto como piedra Rosetta de la materia oscura por la cantidad de elementos que, por separado, muestran su auténtica naturaleza gravitatoria.
Incluso se da la circunstancia de que en ciertos cúmulos podemos aprovechar la luz para evidenciar la presencia de la materia oscura. A pesar de que la radiación electromagnética no interacciona de ninguna manera con esta materia tan peculiar, pues no la emite, la absorbe o la difracta, la luz también puede estar sometida al influjo de la gravedad, como ya nos enseñó Albert Einstein con su teoría de la relatividad general. Esto es justo lo que se observa en ciertos cúmulos de galaxias, que curvan de manera mucho más acusada de lo que se podría esperar si estuvieran formados solo por estrellas o gas la radiación emitida por galaxias situadas detrás de ellas en nuestra línea de visión.
¿Y qué se piensa entonces qué es la materia oscura? La lista y variedad de candidatos es larga y ninguno de ellos termina nunca de descartarse completamente, así que hay muchas líneas de investigación abiertas. Dentro de esa lista se encuentran, por ejemplo, los objetos compactos que se encuentran en los halos de las galaxias (MAcHOS, de sus siglas en inglés) y que incluirían toda clase de cuerpos rocosos y estrellas oscuras que se podrían acumular en gran cantidad por encima del plano de los discos de las galaxias. No obstante, aunque se sospecha que se encuentran en gran número, su cantidad no bastaría para cubrir, ni de lejos, la materia requerida para explicar de manera convincente todos los efectos descritos más arriba.
Otra posible explicación para la materia oscura son los neutrinos, partículas predichas por el actual modelo estándar y que se generan en grandes cantidades en las reacciones nucleares que se producen en los interiores de las estrellas y tras el Big Bang. Su número es enorme y hace relativamente poco se ha determinado que tienen algo de masa, aunque mucha menos de la requerida, de nuevo, para dar cuenta de toda la materia perdida de las galaxias. Además, hay otra circunstancia que les hace ser malos candidatos para ser los componentes principales de los halos masivos de las galaxias, pues sabemos que las galaxias y los cúmulos de galaxias se formaron en un periodo relativamente breve después del Big Bang (unos mil millones de años después) a partir de las inhomogeneidades en la distribución de materia, por lo que esta no podía moverse a grandes velocidades y esto descarta a los neutrinos que se desplazan casi a la velocidad de la luz. Es por eso por lo que el actual modelo de formación del universo requiere materia oscura fría, es decir, casi en reposo.
Otra explicación alternativa sugiere que no estemos comprendiendo bien el comportamiento de la fuerza de la gravedad a grandes distancias y que, por eso, estemos prediciendo cosas irreales. El conjunto de teorías que afirman esto se engloba bajo el apelativo de dinámica newtoniana modificada. Muchos experimentos parecen descartar estas formulaciones alternativas a la dinámica de Newton y, sobre todo, a su actualización más aceptada tanto por la teoría como por la observación, que es la relatividad general de Einstein. El hecho más reciente que parece probar que esta es correcta vino del experimento LIGO, construido en Estados Unidos para la detección de ondas gravitatorias, logro que se consiguió por vez primera en 2015 tras la detección de la fusión de dos agujeros negros. Es más relevante sin embargo la más reciente detección de ondas gravitacionales con la fusión de dos estrellas de neutrones situadas en una galaxia a ciento treinta millones de años luz, en lo que se conoce como el evento GW170817. Esta detección es relevante porque LIGO detectó las ondas gravitatorias casi simultáneamente a la detección de una explosión de rayos gamma asociada al mismo evento. Esta coincidencia prueba que las ondas gravitatorias viajan a la misma velocidad que la luz, tal como predice la teoría de Einstein, lo que descarta la inclusión de términos escalares en la gravitación que tendrían como consecuencia un retardo en su emisión.
Parece pues que la posibilidad más prometedora viene de modelos y teorías aún no comprobados, como la existencia de partículas desconocidas y exóticas fuera del actual y aceptado modelo estándar y que reciben el nombre de WIMPs, acrónimo en inglés de “partículas masivas de interacción débil”. La posibilidad de que alguna de estas partículas, que deben de llenar todo el espacio, interaccione con alguna de las partículas conocidas provocando un estallido de energía debe ser prácticamente despreciable, pero no nula, por lo que hay toda una serie de experimentos tanto en órbita en torno a la Tierra como bajo tierra (a resguardo de los rayos cósmicos), buscando estas interacciones. Uno de ellos, el construido en Italia bajo el macizo granítico del Gran Sasso, ha sido capaz de detectar variaciones anuales en la incidencia de interacciones con un detector de cristales. Esta variación anual podría ser causada por el movimiento anual de la Tierra en torno al Sol, recibiendo una cantidad variable de colisiones con la materia oscura al cambiar la velocidad relativa de nuestro planeta con respecto al halo en torno a nuestra galaxia. No obstante, este resultado no ha sido reproducido por ningún otro experimento de modo que se desconoce si podría ser causado por la peculiar sección eficaz de este experimento o por otro factor. Sin duda, una cuestión apasionante que seguirá ofreciendo respuestas en los próximos años.