Materia oscura

El gran enigma

Un viaje la lado oscuro del universo de la mano de los astrofísicos que investigan su mayor secreto

Si todo esto ya le parece desconcertante –e inquietante–, siga leyendo porque por algo llaman a la materia oscura 'el Darth Vader del universo'. En un giro de argumento que supera a George Lucas creando precuelas de La guerra de las galaxias, ahora resulta que dos características que se consideraban esenciales de esa materia oscura han sido cuestionadas por dos recientes investigaciones.

¿Significa eso que 'Darth Vader/materia oscura' en realidad no existe? Al contrario, está más viva que nunca. Y en su 'contraataque' amenaza con hacer saltar por los aires las mismísimas leyes físicas de Albert Einstein.

Darth Vader: «Yo soy el origen»

Pero volvamos al principio. La materia oscura es un término genérico para hablar de 'algo' (materia) que debe de estar ahí (en el universo), pero que no se puede ver (oscura). Además, ese algo es necesario para la constitución de las galaxias y no interactúa con la materia visible.

¡Un momento! ¿Por qué se deduce que hay ese 'algo' si no hay forma de percibirlo? Pues porque a partir de cierto momento (o lugar en el espacio) las leyes gravitatorias que afectan a nuestra galaxia y que se han comprobado fehacientemente dejan de funcionar... a menos que exista esa materia oscura.

Una breve explicación: los planetas de nuestro sistema solar giran alrededor del Sol sin ser engullidos por él porque hay un equilibrio entre la masa del planeta, su distancia del Sol y la velocidad a la que se mueven en su órbita. Digamos –con permiso de los físicos– que existe una fórmula en la que conjugando esos tres factores se puede establecer una regla universal: si la masa es 'x' y la distancia es 'y', la velocidad tiene que ser 'z'.

Pues bien, en 1974 la astrónoma Vera Rubin observó que esto no sucedía de la misma manera a medida que nos alejábamos del centro galáctico (la masa y la velocidad no se relacionaban de la misma forma). Como aquello venía a contradecir todas las leyes físicas concluyó que tiene que haber una masa escondida, la masa que sería necesaria para que esas leyes sigan siendo válidas en todo el universo. Eso vendría a ser la materia oscura, que no se ve porque no emite luz ni radiación electromagnética, pero se infiere, se deduce, de su efecto sobre la gravitación de las galaxias. Vale, pero ¿no podría ser que las leyes físicas con las que  trabajamos estén mal o sean insuficientes?

No parece. O no lo parecía, hasta ahora. Hay muchas investigaciones y observaciones que avalan la existencia de la materia oscura, por ejemplo, los estudios del efecto de lente gravitacional (perdón, otro 'palabro'). Y su existencia, obviamente, no se sustenta en fórmulas tan elementales como la citada unos párrafos antes, sino en complejos enunciados de física que han sido replicados computacionalmente.

Así se crearon los primeros soles

1.  Big Bang

Tras el Big Bang surgieron los protones, neutrones y electrones. Esas partículas ya son materia. Pero, al margen de ellas, pudo haber otra materia –la oscura– sin identificar.

2. Hidrógeno

Unos 380.000 años después del Big Bang, el universo se había enfriado tanto como para permitir ya la aparición de los átomos. Es decir, los electrones fueron captados por los mucho más pesados protones y, desde ese momento, dan vueltas a su alrededor. El producto formado por el protón y el electrón que gira en torno a él recibe el nombre de ‘átomo de... Leer más

Unos 380.000 años después del Big Bang, el universo se había enfriado tanto como para permitir ya la aparición de los átomos. Es decir, los electrones fueron captados por los mucho más pesados protones y, desde ese momento, dan vueltas a su alrededor. El producto formado por el protón y el electrón que gira en torno a él recibe el nombre de ‘átomo de hidrógeno’. Ese ‘matrimonio atómico’ dejó una huella en el universo que llamamos ‘radiación de fondo de micro-ondas’ y fue captada por una sonda creada a tal efecto. Es la primera ‘foto’ de la creación del universo y se publicó en 2003.

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3. Tinieblas

Una vez formado el hidrógeno atómico, siguió una edad de las tinieblas de muchos millones de años. No había ninguna estrella ni luz que atravesara la oscuridad. Solo había gas hidrógeno invisible flotando, entremezclado con algo de helio.

4. La luz

Luego, en algún momento que aún no se ha especificado, se encendió la primera estrella. Las primeras surgieron cuando las nubes de gas colapsaron por su propia gravedad. Uno de los objetivos de los astrónomos es conseguir una ‘foto’ de ese momento. Y determinar qué papel desempeñó la materia.

Pero todo es cuestionable. Ya lo decía la propia Vera Rubin en 2009: «Yo observé que las galaxias giraban de una manera totalmente inesperada según las leyes de Newton y Kepler. Esto se interpretó como la primera evidencia de que la materia oscura existía y continúa siendo la hipótesis más factible, pero también podría ser que arrastráramos un error fundamental en las ecuaciones que utilizamos para describir el movimiento de los cuerpos celestes».

La galaxia 'traidora'

A Rubin, fallecida en 2016, le habría fascinado el  hallazgo publicado en la revista Nature. Hasta hoy, todos los científicos parecían tener claras dos cosas: una, que la existencia de la materia oscura era necesaria para explicar la velocidad de rotación de las galaxias –más rápida de lo que debiera si solo se tiene en cuenta la masa conocida–; y dos, que, puesto que todas las galaxias tenían materia oscura, esta tenía que haber desempeñado un papel fundamental en su formación.

Pues bien –giro de guion–: acaban de encontrar una galaxia sin materia oscura.

Un equipo internacional de científicos liderado por Pieter van Dokkum, de la Universidad de Yale (Estados Unidos), ha publicado los resultados de la primera observación de una galaxia muy muy lejana... Se llama NGC1052-DF2 y es una galaxia difusa (emite poca luz) que se encuentra a 65 millones de años luz de nuestro planeta, en la constelación Cetus. Es del tamaño de la Vía Láctea, pero, al contrario que en nuestra galaxia, apenas se detecta en ella materia oscura.

Pero ¿no habíamos quedado en que la materia oscura era clave en la formación de una galaxia? ¿Cómo pudo formarse entonces NGC1052-DF2? No se sabe, pero tiemblan ya Newton y Einstein. «Encontrar una galaxia sin materia oscura es inesperado porque esta sustancia invisible y misteriosa es el aspecto más dominante de cualquier galaxia», se limita a comentar Van Dokkum. «NGC1052-DF2 desafía las ideas estándares sobre cómo creemos que se forman las galaxias».

Han nacido una estrella... y la materia oscura

El proyecto Edges busca determinar cuándo se encendió la primera estrella y registrar el momento, de igual forma que se hizo con la llamada ‘radiación de fondo de microondas’ en 2003. Con un radiotelescopio ‘barato’ (dos millones de dólares) del tamaño de una mesa de ping pong han logrado captar una señal de aquel ‘encendido’ que ayudará a comprender los procesos que lo provocaron.... Leer más

El proyecto Edges busca determinar cuándo se encendió la primera estrella y registrar el momento, de igual forma que se hizo con la llamada ‘radiación de fondo de microondas’ en 2003. Con un radiotelescopio ‘barato’ (dos millones de dólares) del tamaño de una mesa de ping pong han logrado captar una señal de aquel ‘encendido’ que ayudará a comprender los procesos que lo provocaron. Para ello es clave entender la interacción entre dos fuerzas. Por un lado, la gravedad, que hacía que las enormes nubes de gas colapsaran por su propio peso. Por otro, el calor generado por el colapso, que volvía a hinchar las nubes.

Con este telescopio instalado en Australia, los investigadores descubrieron, aplicando modelos computacionales, que al final acababa imponiéndose la gravedad. Y, en consecuencia, aquellas estrellas, que eran cien veces más pesadas que el sol, pudieron encenderse por sí mismas en los colapsos. Lo que ahora la observación ha acotado es un periodo de tiempo en el que eso pudo producirse: las estrellas se encendieron unos 180 millones de años después del Big Bang. Es decir, hace 13.600 millones de años. Pero también infieren otro dato: el gas en el universo primigenio era mucho más frío de lo esperado. ¿Cómo se explica? La explicación más plausible es que el frío lo aportó la materia oscura.

LA TÉCNICA DE EDGES: ‘ESCUCHAR’ LO QUE AÚN NO PODEMOS VER

A falta de un telescopio capaz de ‘ver’ ese primer encendido de una estrella, los científicos decidieron intentarlo a través de las ondas de radio. En la edad de las tinieblas, solo había nubes de gas y ondas radioeléctricas, provocadas por el Big Bang. El equipo de Edges cree que las nubes de gas pudieron absorber esas ondas. Por tanto, si conseguía captar esta radiación, podrían ‘auscultar’ el medio en el que surgieron las primeras estrellas.

Desde el punto de vista técnico, el desafío es enorme. Las señales de radio producidas por la humanidad contaminan el firmamento, y las galaxias también están atravesadas por ruido radiofónico. Las señales que buscan los astrónomos son muy débiles. Un investigador lo compara con intentar captar el batir de las alas de un colibrí en medio de un huracán. De ahí que los resultados de Edges requieran más comprobación.

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En cualquier caso, él mismo advierte de que «se trata solo de una observación». Ahora, astrónomos de todo el mundo tratarán de buscar más galaxias sin materia oscura, lo que constituiría una nueva 'especie galáctica'. Van Dokkum y sus colegas ya han analizado imágenes de 23 galaxias difusas y 3 comparten características con NGC1052-DF2, aunque todavía no hay datos sobre su materia oscura.

De qué está hecha la materia oscura

Y mientras unos miran hacia fuera, aquí en la Tierra otros miran en el subsuelo. Que aún no se sepa qué es la materia oscura no quiere decir que no se haya avanzado en la investigación. Uno de los lugares en los que se busca es en el CERN de Suiza. El colisionador de drones podría 'hacer visible' la materia oscura como hizo con el bosón de Higgs (una partícula elemental que tiene un papel fundamental en el mecanismo por el que se origina la masa visible).

Hay ya cierto consenso en que la materia oscura estaría formada por partículas fundamentales semejantes a los quarks y los gluones que conforman los átomos. Pues bien, a las partículas que supuestamente forman la materia oscura se las ha denominado WIMP, siglas en inglés de 'partículas masivas que interactúan débilmente'.

Las WIMP son extremadamente difíciles de detectar. La única manera de hacerlo sería capturando el impacto de una de ellas sobre el núcleo de un átomo, y que ocurra dicho impacto es altamente improbable. Se han hecho numerosos experimentos en instalaciones de detectores subterráneos, pero no aparece. De ahí que haya cierto escepticismo en la comunidad científica. La astrónoma Catherine Heymans lo reconoce: «Si nuestras teorías sobre lo que es la materia oscura fuesen ciertas, deberíamos haber encontrado ya la partícula que la compone en el CERN. Pero no ha sido así. Eso sugiere que nuestros modelos de la materia oscura no son suficientes y necesitamos teorías más complejas».

Interactuar con la meteria visible

Al desconcierto sobre la materia oscura se ha unido una nueva e inesperada investigación: el experimento Edges, llevado a cabo en Australia y cuyo resultado acaba de ser publicado. Edges ha logrado 'ver' el reflejo de las primeras estrellas que se crearon en el universo y, teniendo en cuenta ese dato, concluyen que el hidrógeno que una vez llenó el universo tuvo que estar más frío de lo que se pensaba hasta ahora (–270 grados centígrados, por si se lo preguntan). ¿Cómo pudo enfriarse el gas? El principal sospechoso es... ¡bingo!: la materia oscura.

Pero este dato provoca otro interrogante: si la materia oscura es responsable del enfriamiento del hidrógeno originario, eso significa no solo que de verdad existe, sino que además interactuaban de una forma hasta ahora desconocida. Es decir, por primera vez se demostraría que la materia oscura interactúa con la materia visible y no solo con la gravedad.

El físico teórico Avi Loeb, de la Universidad de Harvard, no se lo termina de creer. No solo le escama la intensidad de la señal detectada en Australia, tampoco termina de gustarle su forma. El profesor Rennan Barkana, de la Universidad de Tel Aviv (Israel), también admite que podría haber otra causa del excesivo enfriamiento del gas primordial: «Lo que vemos es absorción, por gas, de ondas de radio. La otra posible explicación es que hubo más ondas de radio y más intensas en el universo temprano de lo que esperamos, producidas por algún proceso cuando comenzaban a formarse las estrellas. Esto también sería una gran sorpresa».

Pero todas estas posibilidades, incluso que gran parte de la astronomía pueda haber arrancado con un error, no parece molestarles. «Así es la ciencia –dice Loeb–. La polémica forma parte de ella».

El lado oscuro del universo

CONCEPTOS QUE NO HAY QUE CONFUNDIR

⇒ MATERIA OSCURA

Se llama ‘materia oscura’ porque no emite ningún tipo de radiación electromagnética (como la luz). No se ve ni se puede registrar. Al menos, hasta ahora. Su existencia se puede deducir a partir de los efectos que produce en la gravedad de las estrellas y las galaxias. Es un tipo de materia presente en el universo, que no es materia bariónica... Leer más

⇒ MATERIA OSCURA

Se llama ‘materia oscura’ porque no emite ningún tipo de radiación electromagnética (como la luz). No se ve ni se puede registrar. Al menos, hasta ahora. Su existencia se puede deducir a partir de los efectos que produce en la gravedad de las estrellas y las galaxias. Es un tipo de materia presente en el universo, que no es materia bariónica (materia ordinaria) ni neutrinos (partículas muy pequeñas, que se mueven casi a la velocidad de la luz y no interaccionan casi con nada en el universo). Se cree que constituye el 27 por ciento del universo.

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⇒ ANTIMATERIA

No hay que confundir la materia oscura con la antimateria. La antimateria es como la materia ‘visible’, pero hecha de partículas cuya carga eléctrica está cambiada de signo (el protón tiene carga negativa y el electrón, positiva). La antimateria se forma con antipartículas: del mismo modo que un átomo de hidrógeno consiste en un electrón que orbita alrededor de un protón,... Leer más

⇒ ANTIMATERIA

No hay que confundir la materia oscura con la antimateria. La antimateria es como la materia ‘visible’, pero hecha de partículas cuya carga eléctrica está cambiada de signo (el protón tiene carga negativa y el electrón, positiva). La antimateria se forma con antipartículas: del mismo modo que un átomo de hidrógeno consiste en un electrón que orbita alrededor de un protón, si juntáramos un antiprotón con un antielectrón tendríamos un átomo de antihidrógeno. Ya ha sido logrado en el CERN.

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⇒ AGUJEROS NEGROS

Un agujero negro no tiene nada que ver con la energía oscura. Es una «región finita del espacio» en cuyo interior existe una concentración de masa tan elevada como para generar un campo gravitatorio de tal magnitud que ninguna partícula material, ni siquiera la luz, puede escapar de él. Que sean espacios ‘reales’ no hace que estos agujeros sean... Leer más

⇒ AGUJEROS NEGROS

Un agujero negro no tiene nada que ver con la energía oscura. Es una «región finita del espacio» en cuyo interior existe una concentración de masa tan elevada como para generar un campo gravitatorio de tal magnitud que ninguna partícula material, ni siquiera la luz, puede escapar de él. Que sean espacios ‘reales’ no hace que estos agujeros sean menos misteriosos. De hecho, en ellos las leyes de la física como las conocemos dejan de tener sentido. Para adentrarse, hay que echar mano de la física cuántica y de Stephen Hawking, el mayor experto en agujeros negros.

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⇒ ENERGÍA OSCURA

Si te asombra que el universo pueda estar constituido por un 27 por ciento de materia oscura, ‘alucinarás’ con el siguiente dato: el 68 por ciento del universo es energía oscura… que tampoco sabemos lo que es. Eso sí, los científicos la estudian. Aquí va una breve explicación: el universo está en expansión desde el Big Bang, es decir,... Leer más

⇒ ENERGÍA OSCURA

Si te asombra que el universo pueda estar constituido por un 27 por ciento de materia oscura, ‘alucinarás’ con el siguiente dato: el 68 por ciento del universo es energía oscura… que tampoco sabemos lo que es. Eso sí, los científicos la estudian. Aquí va una breve explicación: el universo está en expansión desde el Big Bang, es decir, todo –estrellas, galaxias…– se aleja de todo. Al mismo tiempo, las galaxias ejercen una fuerza de gravedad entre sí mismas que impide que salgan disparadas en esa expansión. Eso sí, desde hace 20 años se sabe que el universo se expande cada vez más rápido. Para que esto suceda, según las leyes físicas que conocemos, hace falta algo que lo esté acelerando, alguna ‘fuerza’ misteriosa. A lo que genera esa fuerza se lo llama ‘energía oscura’. De ahí la predicción de que el universo, a medida que sus galaxias se alejen entre sí y se vayan apagando, terminará en una nada fría y oscura.

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