Sociedad

Dos argumentos para convencerse de que la materia oscura existe

No estamos solos en el universo. El 85% de la materia que hay ahí fuera es invisible para nosotros. Está formada por una sustancia enigmática, extremadamente abundante pero completamente transparente: la materia oscura.

Una representación artística de la Vía Láctea, con la nube de materia oscura en la que está inmersa coloreada en azul. Todo indica que las galaxias se forman en el corazón de estas nubes, o “halos”, cuya extensión puede ser muy variable. En algunos casos el halo puede ser hasta diez veces más grande que la propia galaxia.
Una representación artística de la Vía Láctea, con la nube de materia oscura en la que está inmersa coloreada en azul. Todo indica que las galaxias se forman en el corazón de estas nubes, o “halos”, cuya extensión puede ser muy variable. En algunos casos el halo puede ser hasta diez veces más grande que la propia galaxia. FOTO: L. Calçada / Observatorio Europeo Austral

El universo es una sopa que lleva cocinándose 13.800 millones de años. No estamos muy seguros de qué ingredientes había inicialmente en la sopa, pero sí sabemos que incluía enormes cantidades de energía. Parte de esa energía se transformó, cuando el universo era aún muy joven, en las partículas de las que nosotros estamos hechos. Electrones, quarks, protones, fotones y toda la familia inundaron el universo y empezaron a chocar frenéticamente unos con otros, formando una neblina abrasadora que llenaba todo el cosmos. Aún hoy seguimos haciéndonos notar, en forma de estrellas, galaxias y grandes cantidades de luz. Pero a medida que vamos entendiendo mejor esta sopa cósmica en la que vivimos nos hemos dado cuenta de que nuestra receta era incompleta: sólo con nuestras partículas no podemos cocinar un universo como el que vemos. Es más, se nos había pasado por alto un ingrediente que es mucho más abundante que nosotros: la materia oscura.

Sorprendentemente, no sabemos qué es ese ingrediente. Sabemos de él que es muy abundante y que, a diferencia de nuestras partículas, no choca con otros objetos. Sea lo que sea, es una sustancia a la que le cuesta mucho intercambiar energía con el resto del universo: si se encontrara con uno de nosotros nos atravesaría, como si fuera un fantasma, incapaz de frenarse a pesar de estar rodeada de partículas. Es probable que en la habitación en la que estoy escribiendo, y en la que tú, lector, estás leyendo, haya cierta cantidad de materia oscura. Probablemente nos está atravesando ahora mismo, sin que nos enteremos y sin que sintamos absolutamente nada. Desde luego, esta sustancia tampoco se habla con los fotones, las partículas de la luz; es transparente, invisible e incapaz de brillar. El adjetivo “oscura” se le puso inicialmente porque no encontrábamos luz en el cielo que viniera de la materia oscura. Después nos dimos cuenta de que una elección mejor podría haber sido “transparente” o incluso “fantasmal”.

Hoy es Halloween, pero lo que os estamos contando no es un cuento de fantasmas, es ciencia dura y de la buena. A primera vista parece que os estemos pidiendo que os creáis que estamos rodeados de cosas que no podemos ni ver ni tocar. Y así es: eso es lo que estamos pidiendo. Pero por fortuna tenemos muy buenas razones. Hoy vamos a repasar tres de ellas, las más potentes, que apuntan fuertemente a que no estamos solos en el universo.

Velocidades excesivas

Desde luego, si esta sustancia misteriosa fuera transparente, fantasmal, y además no afectara en absoluto al resto del universo, entonces sí que sería como decir que el universo está lleno de unicornios rosas que vuelan plácidamente por el vacío del espacio. Pero hay una propiedad de la materia oscura que sí es visible, incluso escandalosamente visible: su gravedad. Sea lo que sea, parece claro que la materia oscura gravita, y sus efectos son extremadamente elocuentes en cuanto nos fijamos un poco.

Las galaxias es uno de los lugares en donde mejor se “observa” la gravedad de la materia oscura. Esencialmente las galaxias son grandes nubes de gas y estrellas en continua rotación. Cada galaxia tiene un centro en torno al cual giran todas sus componentes; a menudo esos centros concentran muchas más estrellas que la periferia, y a veces incluso albergan un agujero negro supermasivo. Bueno, pues esto nos permite hacer un pequeño test: ¿cómo de rápido giran las estrellas y el gas en torno al centro? En principio lo que esperamos es que la gravedad “mantenga atadas” a las estrellas e impida que escapen de la galaxia a pesar de que se están moviendo a muchos kilómetros por segundo.

Esta pregunta se la hicieron por primera vez la astrofísica Vera Rubin y su colaborador Kent Ford en la década de 1970, y la respuesta que encontraron fue sorprendente: las estrellas giraban, sistemáticamente, mucho más rápido de lo que deberían. Galaxia tras galaxia, siempre obtenían que la velocidad de giro era mucho mayor de lo que la gravedad podía soportar. Las estrellas deberían salir volando de sus galaxias, escapar al espacio intergaláctico para nunca volver. Y sin embargo, eso no era lo que se observaba: las galaxias parecían estables, bien armonizadas, sin una señal de estar rompiéndose en pedazos. Era como si hubiera mucha más gravedad de la que tendría que haber.

En este montaje vemos una imagen de la galaxia M33, que pertenece al mismo grupo que la Vía Láctea, y una gráfica que muestra la velocidad a la que giran las diversas partes de la galaxia. El eje horizontal de la gráfica representa distancia al centro, y el eje vertical, velocidad. Los puntos amarillos son medidas de estrellas, y los azules son medidas de gas difuso, que se extiende mucho más lejos que las propias estrellas. Como vemos, la velocidad de giro aumenta con la distancia al centro, cuando lo esperable sería todo lo contrario (línea discontinua). En la periferia de la galaxia, donde la gravedad debería ser débil, el gas gira más rápido que las propias estrellas: esto sugiere que aunque nos alejemos del centro la gravedad sigue aumentando, y es capaz de retener el gas que se mueve a más de 100 km/s. Esto es lo que cabría esperar si la galaxia está “nadando” en una nube de materia oscura que es mucho más grande que la propia galaxia: hasta que no salgamos del núcleo de la nube, las velocidades no deberían empezar a disminuir.
En este montaje vemos una imagen de la galaxia M33, que pertenece al mismo grupo que la Vía Láctea, y una gráfica que muestra la velocidad a la que giran las diversas partes de la galaxia. El eje horizontal de la gráfica representa distancia al centro, y el eje vertical, velocidad. Los puntos amarillos son medidas de estrellas, y los azules son medidas de gas difuso, que se extiende mucho más lejos que las propias estrellas. Como vemos, la velocidad de giro aumenta con la distancia al centro, cuando lo esperable sería todo lo contrario (línea discontinua). En la periferia de la galaxia, donde la gravedad debería ser débil, el gas gira más rápido que las propias estrellas: esto sugiere que aunque nos alejemos del centro la gravedad sigue aumentando, y es capaz de retener el gas que se mueve a más de 100 km/s. Esto es lo que cabría esperar si la galaxia está “nadando” en una nube de materia oscura que es mucho más grande que la propia galaxia: hasta que no salgamos del núcleo de la nube, las velocidades no deberían empezar a disminuir. FOTO: Stefania de Luca (Wikimedia)

Ésta fue la primera indicación seria de que algo estaba fallando en la “receta” del universo. Las estrellas y el gas de las galaxias no tenían gravedad suficiente para sostener esas velocidades de rotación. Es más: faltaba mucha gravedad; en algunas galaxias las estrellas sólo podían representar un 10% de la gravedad necesaria para mantener el sistema unido. El siguiente paso era claro: ¿acaso había en todas las galaxias ‒incluyendo la nuestra‒ una forma de materia hasta ahora desconocida, extremadamente abundante y completamente invisible? Aunque otros autores lo habían imaginado antes, aquí es donde nació el estudio de la materia oscura como disciplina científica.

Las galaxias más antiguas

El segundo de los argumentos nos lleva al universo primitivo, cuando todavía era muy joven. Ya hemos contado que en aquella época el universo era una sopa muy caliente en la que estaban mezclados todos los ingredientes de la receta del cosmos. Tenemos una imagen bastante clara de estas primeras etapas del universo gracias al fondo cósmico de microondas, una “foto” cuya luz proviene de cuando el universo tenían 379.000 años. En esa foto lo que vemos es un gas muy homogéneo, muy uniforme, de forma que la densidad del universo era prácticamente la misma en todas partes. Había zonas un poco más densas y otras un poco menos densas, pero las diferencias eran mínimas.

El fondo cósmico de microondas es un “mapamundi del universo observable” tal y como era cuando tenía 379.000 años. En él vemos zonas más más calientes y densas (en azul, la escala es contraria a la intuición) y otras más frías y difusas (rojo), pero la escala está exagerada para que podamos apreciar las diferencias. En realidad, la diferencia entre las regiones más rojas y las más azules es de menos de una milésima de grado.
El fondo cósmico de microondas es un “mapamundi del universo observable” tal y como era cuando tenía 379.000 años. En él vemos zonas más más calientes y densas (en azul, la escala es contraria a la intuición) y otras más frías y difusas (rojo), pero la escala está exagerada para que podamos apreciar las diferencias. En realidad, la diferencia entre las regiones más rojas y las más azules es de menos de una milésima de grado. Planck / ESA

A medida que el universo se iba expandiendo, ese gas se iba enfriando. Cuando estuvo suficientemente frío, la gravedad hizo que la materia se acumulara en las zonas que eran un poquito más densas; al acumular más materia, la gravedad de esas regiones aumentó, y atrajo más materia todavía. Este proceso continuó durante millones de años y, finalmente, se formaron las primeras galaxias y se encendieron las primeras estrellas. Ésta es la lógica que explica la formación de las estructuras que vemos a día de hoy en el cosmos.

Las ideas generales están claras, pero los problemas aparecerán, igual que antes, cuando bajamos a los detalles. La pregunta es: ¿cuánto tiempo tardaron en formarse esas primeras galaxias? ¿Fue un millón de años o mil millones de años? La gravedad tarda un tiempo en concentrar toda esa materia, y nuestra “fotografía del cosmos” nos dice que cuando tenía 379.000 años el gas estaba aún muy disperso y las concentraciones de materia eran mínimas. Si nos basamos en esos datos, las primeras galaxias tendrían que haber tardado mucho en formarse: partiendo de concentraciones muy pequeñas y teniendo que “luchar” contra la expansión del universo, las primeras galaxias habrían tardado miles de millones de años en aparecer.

Esta imagen muestra una de las galaxias más antiguas conocidas, GN-z11, que ya era una “galaxia bebé” cuando el universo tenía 400 millones de años. GN-z11 se encuentra en la constelación de la Osa Mayor, y la imagen es muy nebulosa no sólo por su gran distancia a nosotros, sino también porque es una imagen en infrarrojos.
Esta imagen muestra una de las galaxias más antiguas conocidas, GN-z11, que ya era una “galaxia bebé” cuando el universo tenía 400 millones de años. GN-z11 se encuentra en la constelación de la Osa Mayor, y la imagen es muy nebulosa no sólo por su gran distancia a nosotros, sino también porque es una imagen en infrarrojos. FOTO: P.A. Oesch et al / NASA / ESA / Telescopio Espacial Hubble / Telescopio Espacial Spitzer

Esto, como ya os imaginaréis, no es lo que observamos. Lo que vemos es que las primeras estrellas aparecieron 300 millones de años después del Big Bang, y que ya había galaxias reconocibles cuando el universo tenía 400 millones de años. Todo indica que las primeras estructuras se formaron a una velocidad récord, como si la gravedad fuera especialmente rápida en aquellas primeras etapas del universo. ¿Dónde está la trampa? Bueno, pues si el universo tiene materia oscura no hay trampa. Lo que vemos es, de hecho, completamente lógico.

Hay una razón por la que el gas no puede formar “grumos” demasiado concentrados mientras está caliente. Si el gas se concentra en una región se va a calentar inmediatamente, y al calentarse se va a expandir, diluyéndose de nuevo. El gas necesita estar suficientemente frío para poder concentrarse, y eso es lo que “retrasa” la formación de las primeras galaxias. Bien, ¿qué pasa si metemos materia oscura? La materia oscura no intercambia energía con el gas, ni tampoco con ella misma. Por lo tanto, cuando se concentra no se calienta. Durante todo ese tiempo en que el gas está demasiado caliente para concentrarse la materia oscura sí puede hacerlo, silenciosamente, mientras nadie se fija en ella. De esta forma, cuando el gas se enfría lo suficiente para poder concentrarse se encuentra con que la materia oscura ya ha formado grandes concentraciones con una gravedad muy intensa. Lo único que el gas tiene que hacer es caer al interior de esos grumos de materia oscura, y allí podrá concentrarse y formar las primeras galaxias.

Este proceso, claro, es mucho más rápido que si el gas tiene que formar los grumos desde cero, y encaja con los tiempos que vemos en las observaciones. De hecho, la cantidad total de materia oscura que hemos de poner en nuestra “receta del universo” afecta a las propiedades del gas primordial y al tiempo de formación de las primeras galaxias, así que estas observaciones cosmológicas son las que más información dos dan sobre la cantidad total de materia oscura que tiene que haber en el universo. De ellas sacamos la cifra de que el 15% de la materia está formada por átomos, como nosotros, y el otro 85% es esta cosa a la que llamamos materia oscura, sea lo que sea.

La moraleja de todo esto es que, en cierta manera, sí hemos observado la materia oscura. Es verdad, no la podemos ver directamente porque parece que no emite nada, ni bloquea el paso de la luz, pero sí hemos visto los efectos de su gravedad. Es una observación indirecta, pero también indiscutible: hay que explicar por qué las galaxias no se desintegran, a pesar de que giran demasiado rápido; hay que explicar por qué las galaxias y las estrellas pudieron aparecer tan pronto cuando es evidente que necesitaban mucho más tiempo. Como estos dos argumentos hay un puñado de otros que no nos da tiempo a exponer aquí hoy, pero todos apuntan en la misma dirección: hay algo que explicar ahí fuera. A día de hoy la mejor explicación que hemos encontrado es la materia oscura, y puesto que hay tantas cosas que no sabemos de ella tenemos que ser claros: la ciencia aún no ha dictado sentencia. Sólo podremos estar seguros cuando seamos capaces de interaccionar con la materia oscura en un experimento aquí, en la Tierra, en condiciones controladas. Pero a día de hoy la mejor apuesta que podemos hacer es ésta: no estamos solos en el universo, y esta materia fantasma podría estar ahora mismo a nuestro alrededor.

QUE NO TE LA CUELEN

  • Existen explicaciones alternativas a los fenómenos que hemos contado aquí y que no requieren de materia oscura. La mayor parte pasan por modificar las ecuaciones de la gravedad, de forma que, por ejemplo, la gravedad de las galaxias sea más intensa y pueda retener a esas estrellas que se mueven “demasiado deprisa”. Mayoritariamente, la comunidad considera que estas alternativas son menos satisfactorias que la materia oscura. Algunas de ellas funcionan muy bien para explicar la rotación de las galaxias, pero tienen problemas en el universo primitivo; otras consiguen funcionar bien en los esos dos mundos, pero son más complejas y rebuscadas que añadir un nuevo tipo de materia. Finalmente, casi todas tienen problemas serios para explicar lo que vemos en cúmulos de galaxias. En cualquier caso, esas alternativas están todavía encima de la mesa, y el jurado aún no ha emitido un veredicto definitivo.

REFERENCIAS