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Partículas del tamaño de una galaxia: la materia oscura borrosa

Normalmente los fenómenos cuánticos se manifiestan sólo en objetos muy pequeños, pero la materia oscura ultraligera, si existe, haría patente su carácter cuántico en distancias de miles de años luz.

Todas las galaxias están inmersas en una nube de materia oscura, que es más densa en la zona central y se va volviendo más tenue a medida que nos alejamos de él. En esta imagen de la galaxia NGC 4394 vemos también una diferencia en el tipo de estrellas que encontramos en cada región: en el núcleo tenemos estrellas maduras, que en este caso forman una hermosa barra, y en la periferia encontramos estrellas jóvenes y muchas más nubes de polvo. Si la materia oscura terminase siendo de tipo “borroso” sus partículas serían tan grandes como todo el núcleo de esta galaxia.
Todas las galaxias están inmersas en una nube de materia oscura, que es más densa en la zona central y se va volviendo más tenue a medida que nos alejamos de él. En esta imagen de la galaxia NGC 4394 vemos también una diferencia en el tipo de estrellas que encontramos en cada región: en el núcleo tenemos estrellas maduras, que en este caso forman una hermosa barra, y en la periferia encontramos estrellas jóvenes y muchas más nubes de polvo. Si la materia oscura terminase siendo de tipo “borroso” sus partículas serían tan grandes como todo el núcleo de esta galaxia.ESA / Hubble / NASAESA/Hubble & NASA Acknowledgemen
Alberto Aparici
  • Alberto Aparici@cienciabrujula
    Doctor en física de partículas por vocación y, quién lo iba a decir, divulgador científico. Hablo de ciencia en Onda Cero, en el pódcast Coffee Break y en el Instituto de Física Corpuscular. La verdad está en las ecuaciones, pero para entenderla hace falta convertirla en palabras.
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Hace ya cien años que la física no imagina las partículas como pequeños puntitos de materia. Sabemos que si las dejamos moverse libremente tienden a ocupar un volumen amplio, como haría una onda. Sabemos que son capaces de atravesar paredes, cosa que un puntito nunca podría hacer. La “nueva” imagen de las partículas, dada por la teoría cuántica, se parece más a una onda de sonido o a una ola en el mar, pero con una propiedad peculiar: cuando interacciona con otros objetos lo hace como un todo. No es posible afectar sólo a “la parte izquierda” de la onda, o dividirla en varias partes independientes: cualquier cosa que le hagamos va a afectar al conjunto. Un ejemplo sencillo es que si la onda es absorbida, en cualquiera de sus puntos, toda ella desaparece. Esta propiedad es la que nos permite decir que esa onda es una partícula, y no una onda formada por partículas.

Este relato, que hasta donde sabemos hoy en día es verdadero, tiene una pequeña trampa: las ondas cuánticas suelen ser muy pequeñas. En la mayoría de los casos no son más grandes que una molécula, así que desde nuestra perspectiva de seres gigantescos muy a menudo no hay tanta diferencia con un pequeño puntito. Pero hay circunstancias en las que esas ondas pueden ser bastante grandes. A veces muy grandes. Y un ejemplo extremo de esto es la materia oscura borrosa.

Materia oscura

La materia oscura es… bueno, algo que está ahí, pero que sólo vemos gracias a su gravedad. Su verdadera identidad es desconocida, pero la gravedad nos revela que forma grandes nubes y que las galaxias “nadan” dentro de esas nubes. Podemos aprender más sobre ella comparando cómo era el universo en su juventud y cómo es en la actualidad, y es así como sabemos que ese algo constituye el 85% de la materia de nuestro universo. A medida que avanza el siglo XXI vamos aprendiendo más sobre ella, pero la pregunta fundamental se nos sigue resistiendo: ¿qué es exactamente?

Aquí podemos ver el cúmulo de galaxias Abell 1689, con la nube de materia oscura en la que está bañado marcada en violeta. Observamos que la materia oscura se concentra en el centro del cúmulo, y también en las galaxias más masivas, como las que hay arriba a la izquierda y arriba a la derecha. La materia oscura no emite luz, así que esta nube la hemos reconstruido a partir de su gravedad, que produce un efecto llamado lente gravitatoria, que deforma las imágenes de galaxias que están detrás del cúmulo. Podemos ver muchas de estas imágenes deformadas formando arcos alrededor del cúmulo, como haría una lente circular muy potente.
Aquí podemos ver el cúmulo de galaxias Abell 1689, con la nube de materia oscura en la que está bañado marcada en violeta. Observamos que la materia oscura se concentra en el centro del cúmulo, y también en las galaxias más masivas, como las que hay arriba a la izquierda y arriba a la derecha. La materia oscura no emite luz, así que esta nube la hemos reconstruido a partir de su gravedad, que produce un efecto llamado lente gravitatoria, que deforma las imágenes de galaxias que están detrás del cúmulo. Podemos ver muchas de estas imágenes deformadas formando arcos alrededor del cúmulo, como haría una lente circular muy potente.ESA / NASA / LAM

Inicialmente se pensó que el candidato lógico para la materia oscura eran planetas, agujeros negros y otros objetos que no emiten luz. Hoy, sin embargo, esa posibilidad parece remota, porque este tipo de cuerpos generan un campo gravitatorio muy característico que nunca se ha observado. Igualmente descartado está que se trate de nubes oscuras de gas y polvo, porque esas nubes están calientes (aunque sea poco) y emiten en infrarrojos o microondas y, de nuevo, tales emisiones no están ahí. Dados todos estos reveses, la opción más popular en la actualidad es que las nubes de materia oscura estén formadas por enjambres de alguna partícula subatómica que todavía no hemos descubierto.

A pesar de que sabemos poco sobre estas presuntas partículas, alguna cosa sí que sabemos. Por ejemplo, para haber pasado desapercibidas hasta hoy tienen que interaccionar muy poco con la materia de la que nosotros estamos hechos. O dicho de otra manera: aunque estemos nadando en una nube de esas partículas no nos enteraremos, porque sólo muy rara vez chocarán con nosotros. Bajo el supuesto de que alguna vez sí que choquen, aunque sea muy de vez en cuando, hay muchos experimentos tratando de encontrar estas partículas, pero hasta ahora no han tenido éxito.

Caliente o fría, pesada o ligera

Otra cosa que sabemos sobre la materia oscura es que no puede moverse demasiado rápido. Hemos averiguado esto observando el tamaño de los grupos de galaxias: como éstas nacen dentro de las nubes de materia oscura, si las nubes son muy grandes se formarán “rebaños” con un gran número de galaxias; si las nubes son pequeñas, el número medio de galaxias en cada grupo será menor. En general, nubes grandes significa velocidades altas, porque las órbitas de una partícula que se mueve muy deprisa son más amplias. Nubes pequeñas, por tanto, corresponde a velocidades bajas. Observando los grupos de galaxias que de verdad hay en nuestro universo lo que obtenemos es que las nubes son más bien pequeñas, y la velocidad de la materia oscura, por tanto, ha de ser baja. En jerga de cosmólogos esto se expresa diciendo que la materia oscura es fría.

Tres simulaciones por ordenador del aspecto que deberían tener las nubes de materia oscura si ésta es rápida (izquierda), si es lenta (derecha) o si tiene una velocidad intermedia (centro). La fila superior muestra el aspecto que deberían tener las nubes de materia oscura cuando el universo era joven, mientras que la inferior presenta el aspecto que tendrían hoy en día, después de una larga evolución. Si comparamos la izquierda con la derecha observamos que la materia oscura lenta (fría) forma estructuras más detalladas, más pequeñas, mientras que la materia oscura caliente forma nubes mucho más dispersas, con menos detalle pequeño. Esto permite distinguir entre un caso y otro.
Tres simulaciones por ordenador del aspecto que deberían tener las nubes de materia oscura si ésta es rápida (izquierda), si es lenta (derecha) o si tiene una velocidad intermedia (centro). La fila superior muestra el aspecto que deberían tener las nubes de materia oscura cuando el universo era joven, mientras que la inferior presenta el aspecto que tendrían hoy en día, después de una larga evolución. Si comparamos la izquierda con la derecha observamos que la materia oscura lenta (fría) forma estructuras más detalladas, más pequeñas, mientras que la materia oscura caliente forma nubes mucho más dispersas, con menos detalle pequeño. Esto permite distinguir entre un caso y otro.Ben Moore / Universidad de Zürich

Bien, sabemos que la materia oscura, esté hecha de lo que esté hecha, se ha de mover lentamente. Pero eso no nos acerca a conocer su verdadera naturaleza. Al fin y al cabo, yo siempre puedo darle un empujón a una partícula lenta para que se mueva más rápido. O frenar una que se mueve rápido, y entonces irá más lento. ¿Verdad?

Sí… pero no. Las partículas de materia oscura, como el resto de la materia del universo, heredan sus propiedades de cuando fueron creadas, en los primeros instantes del universo. En esa época todo el universo estaba muy caliente, y en esas condiciones una partícula con muy poca masa probablemente sería acelerada a velocidades muy altas. En definitiva, es casi inevitable que las partículas ligeras sean materia oscura “caliente”. En cambio, las de masa muy grande son más difíciles de acelerar, y dependiendo de la temperatura a la que sean creadas podrían ser frías desde el mismo momento de su nacimiento. Por tanto, cuando buscamos materia oscura fría a menudo pensamos en partículas muy pesadas.

Hay que tener cuidado con todos estos razonamientos. Lógicamente, la realidad es más compleja que unas pocas líneas, y todo lo que acabamos de decir está sujeto a excepciones y a detalles quisquillosos. Pero, por lo menos, esta hoja de ruta nos permite hacernos una idea de por qué en los últimos treinta años los principales candidatos a materia oscura, y los que se han buscado de forma más sistemática, han sido siempre partículas pesadas y frías, las llamadas WIMP (por las siglas en inglés de “partícula masiva que interacciona débilmente”).

Hoy, sin embargo, vamos a hablar de un tipo de materia oscura totalmente diferente y que se salta esta hoja de ruta: es extremadamente ligera, pero gracias a sus propiedades cuánticas puede ser materia oscura fría. No se trata de una partícula en concreto, sino de un grupo amplio de partículas con propiedades similares, y que se agrupan bajo el paraguas de “materia oscura ultraligera” o materia oscura borrosa.

Diccionario onda-partícula

El secreto de estas partículas radica en dos propiedades: su masa extremadamente pequeña y el carácter ondulatorio que la otorga la teoría cuántica. Detengámonos un momento en estas ondas cuánticas y elaboremos un pequeño diccionario, que nos permita relacionar sus propiedades con las de las partículas a las que estamos acostumbrados.

Para empezar, una onda lo que hace es… en fin, ondular. Se mueve arriba y abajo, y eso es lo que la convierte en una onda. Si interpretamos la onda como una partícula, la ondulación equivale a que la partícula se mueve. Si la onda oscila en el espacio es que la partícula se está moviendo en el espacio. Y, efectivamente, el tamaño de la oscilación, su longitud de onda, está relacionado con la velocidad de la partícula: velocidades altas equivalen a longitudes de onda pequeñas, y velocidades bajas a longitudes de onda grandes.

En estas dos ondas la longitud de onda viene dada por la distancia entre dos puntos rojos o, más estrictamente, el doble de esa distancia. Si interpretamos estas ondas como partículas, la onda de abajo, con una longitud de onda menor, sería una partícula que se mueve más rápido que la de arriba.
En estas dos ondas la longitud de onda viene dada por la distancia entre dos puntos rojos o, más estrictamente, el doble de esa distancia. Si interpretamos estas ondas como partículas, la onda de abajo, con una longitud de onda menor, sería una partícula que se mueve más rápido que la de arriba.Alberto Aparici / Lucas Vieira (Wikimedia)

Pero las ondas no sólo oscilan en el espacio: también lo hacen en el tiempo, y esencialmente esto es lo que les permite desplazarse. Imaginadlo de esta manera: una onda que no oscile en el tiempo va a ser simplemente un conjunto de picos y valles fijos, como un paisaje que podemos contemplar, pero no va a moverse; esa onda, en definitiva, está “congelada”. A las partículas les pasa algo parecido: necesitan oscilar en el tiempo (o “moverse en el tiempo”) para ser objetos dinámicos, para poder desplazarse y cambiar. Una onda cuántica que no oscile en el tiempo estará, como cualquier otra onda, congelada, inmóvil. Y efectivamente: los estados que no oscilan en el tiempo los interpretamos como estados vacíos. Están “congelados” porque no tienen partículas.

Para completar nuestro diccionario necesitamos sólo un elemento más: ¿quién es el que determina cómo oscila en el tiempo una partícula? La oscilación en el espacio viene dada por la velocidad, y la oscilación en el tiempo por la energía. Una partícula con mucha energía oscilará rápido en el tiempo; una con poca energía, oscilará muy lento. Y cuidado: esta energía incluye a la masa, porque, como sabemos, la masa es una forma de energía.

En este diagrama mostramos las mismas dos ondas que antes, pero ahora en gris incluimos la forma que tendrá la onda unos segundos después. Ambas han cambiado, así que se trata de objetos dinámicos. La de arriba está desplazándose en la dirección horizontal, y si la interpretamos como una partícula sería fácil deducir que se está moviendo. La de abajo, en cambio, permanece en el mismo lugar y sólo está pulsando arriba y abajo, como si respirara. La onda de abajo, por tanto, representa una partícula que no se mueve, pero es una partícula, no un estado vacío. El hecho de que la onda oscile en el tiempo es lo que distingue la partícula del vacío.
En este diagrama mostramos las mismas dos ondas que antes, pero ahora en gris incluimos la forma que tendrá la onda unos segundos después. Ambas han cambiado, así que se trata de objetos dinámicos. La de arriba está desplazándose en la dirección horizontal, y si la interpretamos como una partícula sería fácil deducir que se está moviendo. La de abajo, en cambio, permanece en el mismo lugar y sólo está pulsando arriba y abajo, como si respirara. La onda de abajo, por tanto, representa una partícula que no se mueve, pero es una partícula, no un estado vacío. El hecho de que la onda oscile en el tiempo es lo que distingue la partícula del vacío.Alberto Aparici / Lucas Vieira (Wikimedia)

Una partícula contra el universo

Armados con este diccionario ya podemos abordar las peculiares propiedades de la materia oscura borrosa. Recordemos que se trata de partículas con una masa muy pequeña y que prácticamente no interaccionan con el resto de materia. Inicialmente, al principio del universo, se crea un cierto número de estas partículas (muy grande, si queremos que den cuenta de toda la materia oscura) y empiezan a oscilar en el tiempo de acuerdo a su energía, que viene dada esencialmente por su masa. Como la masa es muy pequeña esta oscilación es muy lenta – de hecho, para que los cálculos cuadren esta oscilación ha de ser de entre semanas y meses.

Pero claro, para el universo primitivo, que es extremadamente pequeño, varias semanas son una eternidad: los primeros protones se forman cuando el universo tiene algunos microsegundos de vida, y para cuando tiene veinte minutos ya se han formado todos los núcleos. Esencialmente, en estos primeros instantes el universo está evolucionando más rápido que la materia oscura, y desde el punto de vista del universo las ondas de materia oscura están… paradas, congeladas. Como hemos dicho antes, esto quiere decir que el universo no ve partículas de materia oscura. Lo único que ve es vacío.

Pero ese vacío no está realmente vacío, claro. Contiene toda la energía de las partículas que se crearon inicialmente, pero esa energía no puede moverse, está inmóvil, congelada. Sólo cuando el universo alcanza unas semanas de vida empieza a ser visible que ese estado es realmente un estado dinámico. En ese momento el universo se da cuenta de que el vacío “empieza a moverse en el tiempo”, y entonces ocurre algo mágico: del vacío empiezan a brotar partículas. La energía almacenada en ese estado se convierte, al fin, en partículas que podemos reconocer.

Este proceso es lento, y las partículas que se han creado no reciben energía del resto de materia, con la que apenas interaccionan. Las partículas, pues, nacen prácticamente en reposo. Se mueven, al fin, en el tiempo, pero no se mueven apenas en el espacio. No tienen energía cinética. Son, en definitiva, lo que queríamos conseguir: materia oscura fría. Gélida, podríamos decir.

Partículas del tamaño de una galaxia

Una vez creadas, estas partículas empiezan su vida como materia oscura. Responden a la gravedad y se acumulan en el centro de los pequeños campos gravitatorios que ya había en el universo. Con el tiempo, esas regiones se convierten en las nubes de materia oscura en las que se van a formar las galaxias. Las nubes atraen a la materia ordinaria y aparecen nubes densas de hidrógeno y helio. Se encienden las primeras estrellas y el universo ya está en marcha.

En estas fases más tardías de evolución del universo la materia oscura borrosa, de nuevo, nos ofrece una pequeña sorpresa. Durante el proceso de formación de las galaxias, y también a lo largo de la vida de éstas, la materia oscura va acumulándose cada vez más en el centro de la nube. La materia oscura de tipo WIMP puede llegar a acumularse tanto que forme regiones muy densas en el centro de las galaxias; en jerga cosmológica, a estas regiones se las llama cúspides. La materia oscura borrosa no forma cúspides, y de nuevo la diferencia está en las propiedades de sus ondas cuánticas.

Como ondas que son, las partículas tienen un “tamaño”, que a grandes rasgos podemos relacionar con su longitud de onda. La razón de que lo llamemos “tamaño” es que si a una onda le ponemos delante un agujero le va a ser fácil pasar por él si el agujero es más grande que su longitud de onda, y mucho más difícil si el agujero es más pequeño. Las partículas heredan de su carácter ondulatorio esta noción de tamaño, y nos permite saber cómo se comportarán en entornos cerrados. ¿“Cabrá” una partícula dentro de un lugar? Dependerá de su longitud de onda.

Un ejemplo de onda con una longitud de onda muy bien definida. En esta fotografía vemos las crestas de una serie de olas en la superficie de unas aguas someras. El “tamaño” de estas ondas viene dado por la distancia entre las crestas, y les resultará difícil introducirse por un hueco más pequeño que esa distancia.
Un ejemplo de onda con una longitud de onda muy bien definida. En esta fotografía vemos las crestas de una serie de olas en la superficie de unas aguas someras. El “tamaño” de estas ondas viene dado por la distancia entre las crestas, y les resultará difícil introducirse por un hueco más pequeño que esa distancia.Brews ohare (Wikimedia)

Volviendo a la materia oscura, la gran diferencia entre los WIMP y la materia oscura borrosa es que su longitud de onda, su tamaño, es muy diferente. Antes hemos dicho que la longitud de onda depende de la velocidad, pero también depende de la masa: si la masa es grande, la longitud de onda será pequeña; si la masa es pequeña, la longitud de onda será grande. Lógicamente, siendo que los WIMP son partículas muy pesadas, su tamaño será muy pequeño; la materia oscura borrosa, por el contrario, tendrá un tamaño muy grande. En concreto, los WIMP son de tamaño microscópico, mientras que las ondas de la materia oscura borrosa ocupan miles de años luz.

Esta diferencia afecta enormemente a la forma en que se acumulan en el centro de las galaxias. Los WIMP, que son pequeños, sólo tienen que juntarse lo suficiente y pueden formar una cúspide en el centro de la nube. La materia oscura borrosa, en cambio, no importa cuánto se junte: su tamaño es de miles de años luz, y no puede ocupar un espacio más pequeño. Cuando las partículas de materia oscura borrosa se acumulan en el centro de las galaxias forman allí una especie de “montículo”, con una anchura de miles de años luz. Lo que está pasando, por extraño que parezca, es que partículas de tamaño gigantesco se han desparramado sobre el centro galáctico.

La gracia de esta historia, claro, es que cuando miramos las galaxias de nuestro universo no vemos ninguna cúspide, pero sí vemos algo parecido a esos montículos que forma la materia oscura borrosa. ¿Quiere esto decir que debemos creer que la materia oscura está formada por estas partículas ultraligeras? No tan rápido: otros candidatos pueden dar lugar a estructuras parecidas, y el problema de la identidad de la materia oscura está muy lejos de ser resuelto. Pero, al menos, estas partículas nos sirven para tratar de entender cómo sería una onda cuántica si pudiera ser del tamaño de una galaxia.

QUE NO TE LA CUELEN

  • La carrera para identificar a la sustancia que forma la materia oscura acaba de empezar. Hasta ahora hemos explorado sobre todo los modelos de tipo WIMP, pero ya están en marcha experimentos para investigar otro tipo de modelos, entre los que están estas partículas extremadamente ligeras.
  • Es muy raro que las propiedades cuánticas se manifiesten de forma tan clara en el mundo macroscópico. En el caso de la materia oscura borrosa esto sucede porque apenas interacciona con el resto de materia, y sus ondas cuánticas pueden propagarse por el interior de las galaxias sin que nada las perturbe.
  • En la actualidad existen centenares de modelos con posibles candidatos a ser materia oscura. La mayoría se agrupan en cuatro o cinco grandes familias, pero la disparidad de mecanismos y de partículas que vemos en ellos nos demuestra hasta qué punto necesitamos más información sobre las propiedades de la materia oscura.

REFERENCIAS

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