Un trabajo detectivesco…

El modelo standard cosmológico actual (del que ya hablamos en artículos anteriores de esta serie) nos plantea un desafiante misterio: De acuerdo al mismo, nuestro universo contendría un 31% de materia, pero solo el 5% correspondería a “materia bariónica”, la formada por protones, neutrones, electrones, etc.

¿Dónde está y en qué consiste el 26% restante, al que se ha dado en denominar Materia Oscura? Podemos adelantar la respuesta de que “no lo sabemos todavía con seguridad”, pero –como si de un trabajo detectivesco se tratase- a lo largo de este artículo expondremos las “pistas” que han llevado a postular con un grado elevado de seguridad la existencia de esa misteriosa Materia Oscura a partir de sus efectos, e intentaremos identificar a los posibles “sospechosos” que la forman.

Credit: Pixabay

Acorralando una realidad invisible: Las evidencias de la Materia Oscura

Antes de intentar identificar QUÉ es la Materia Oscura, la pregunta obvia debe ser, ¿estamos seguros de que existe? ¿Cómo podemos establecer científicamente la existencia de algo que no podemos detectar directamente?

Si aplicamos al caso de la Materia Oscura el método científico (basado en observar hechos y elaborar hipótesis que deben confirmarse por medio de predicciones medibles), podemos ver que partimos de numerosas observaciones a partir de las cuales se ha podido establecer de modo plausible su existencia.

En los años 30 del siglo XX, K. Lundmark y F. Zwicky detectaron que las galaxias del Cúmulo de Coma no se movían como deberían hacerlo si su masa total fuese el resultado de sumar la masa de todas las estrellas que las forman. Para su sorpresa, aquellas galaxias se movían dentro del cúmulo más rápidamente de lo esperado, como si hubiera MUCHAS más estrellas en esas galaxias de las que se podían observar.

Ante este resultado Zwicky postuló que en aquellas galaxias podría haber mucha más masa que la que aportan las estrellas que contienen, en la forma de algún tipo de materia exótica y desconocida que llamó “materia oscura”.

Posteriormente, entre los años 50 y 70, Kent Ford y sobre todo Vera Rubin detectaron también velocidades anómalas DENTRO de las galaxias que estudiaban. Las curvas rotacionales (=cómo giran las estrellas alrededor del eje de la galaxia) no cumplían lo esperado: En vez de girar alrededor del eje central de la galaxia cada vez más lentamente según lo alejadas que se encontrasen respecto al centro (donde hay más masa) parecían hacerlo de una manera uniforme independientemente de esa distancia.

En otras palabras, el conjunto de la galaxia giraba como una especie de halo o disco compacto formado por una materia invisible y uniforme en el cual se encontrarían “insertadas” las estrellas.

Impacto de la Materia Oscura en las curvas de rotación galáctica (Fuente: Imgur/leaderm)

Estudios adicionales de V. Rubin (quien falleció en 2016, privándonos de la ocasión de verla premiada con el Nobel) y otros reputados cosmólogos respecto a la formación de la Estructura a Gran Escala del Universo también aportaron otra evidencia más respecto a la existencia de Materia Oscura.

Image credit: Princeton University

¿Qué tiene que ver la Materia Oscura con la forma en que se “agrupan” las galaxias formando cúmulos? De acuerdo al modelo clásico, 400.000 años después del Big Bang se produjo la separación entre radiación y materia, dando lugar a un universo transparente en el que la materia estaría distribuida de forma homogénea, pero… en esas circunstancias resultaría MUY lento que la materia se condensase atrayéndose entre sí por efecto de su propia gravedad para dar forma a las complejas estructuras que vemos.

En este contexto, una vez desacoplada la luz de la materia, es donde la Materia Oscura habría actuado como catalizador: Su atracción gravitatoria se “colapsaría” a lo largo y ancho del universo formando estructuras invisibles en forma de “filamentos” y “pozos de gravedad” en los que la materia ordinaria comenzaría a condensarse, dando así lugar en un tiempo que concuerda con nuestras medidas a las primeras estrellas y galaxias, y con ellas a la Estructura a Gran Escala que conocemos.

Credit: Springel et al. (2005). The Millennium Simulation Project. Max Planck Institut für Astrophysik

Aparte de estos indicios más relevantes, hay muchos otros efectos en el universo que apuntan a la existencia de “algo” invisible aunque con efectos gravitatorios: lentes gravitacionales, medidas en rayos X de cúmulos estelares, cálculos de densidad de energía a partir del efecto Doppler en el fondo cósmico de microondas, predicciones sobre la materia ordinaria derivada de la nucleosíntesis primordial, etc.

Intentar explicar todas esas pruebas adicionales nos llevaría demasiado tiempo, y su complejidad haría que el resultado fuese quizá ilegible, así que en nuestra investigación nos daremos por satisfechos con lo visto hasta el momento: Todas las evidencias encontradas apuntan a que tenemos algo misterioso e invisible en nuestro universo que aporta el 26% de la materia.

Ahora bien, aunque tengamos tantas evidencias de su existencia ¿Podemos identificar claramente a nuestro “sospechoso”? ¿Qué es lo que forma esa Materia Oscura que está por todas partes y que no podemos “ver”, aunque sí identificar sus efectos? ¿Por qué no podemos detectarla?

De la “sospecha” a la “identificación”: ¿Qué forma la Materia Oscura?

Desde que se postuló la posible existencia de la Materia Oscura ha habido varias propuestas respecto a qué podría formar esa cantidad ingente de materia “invisible” que falta en el universo. Propuestas que no son necesariamente excluyentes, y que quizá tengan que ser consideradas bajo una perspectiva holística del problema.

Una de las propuestas, definida hace ya veinte años, fue plantear que esa materia faltante correspondía a un conjunto de objetos masivos pero invisibles con nuestros telescopios como pueden ser estrellas difusas, planetas gigantes, restos de estrellas como enanas blancas o estrellas de neutrones, o incluso agujeros negros primordiales.

A este tipo de candidatos se les denominó “MACHOs”, un desafortunado nombre que, aparte de ser el acrónimo de “Massive Astrophysical Compact Halo Object”, fue elegido para oponerse a la otra propuesta mayoritaria que veremos.

Recreación artística de una “Enana Marrón” (una de las tipologías de “MACHOs”). Credit: NASA/JPL-Caltech

¿Son los “MACHOs” la respuesta? No, al menos no la única. Aunque hace un par de décadas se pensaba que toda la masa faltante la aportaban los distintos tipos de MACHOs, lo cierto es que las medidas realizadas desde entonces en nuestra Vía Láctea muestran que como mucho el 15% de materia no visible podría estar formada por enanas blancas u objetos similares. Todavía faltaría por identificar “sospechosos” para cubrir el 85% faltante.

Frente a esos grandes objetos masivos o MACHOs, la gran mayoría de físicos en las últimas décadas apuesta por la existencia de otro tipo de partículas fundamentales denominadas WIMPs (acrónimo de “Weak Interaction Massive Particles”), unos sospechosos que aunque parezcan “flojuchos” (significado de “wimp” en inglés) si los comparamos con los enormes “MACHOs”, realmente pueden suponer la respuesta a la búsqueda de los elementos que forman la Materia Oscura.

Aunque algunas de las propuestas de WIMPs resultan más plausibles que otras, ya que se basan en partículas que ya fueron postuladas como respuesta a otros desafíos en el campo de la física de partículas, ninguna cubriría en su totalidad la cantidad necesaria de materia oscura: La comunidad científica da por sentado que NO se va a detectar una única partícula que sea el único constituyente de toda la Materia Oscura. Con mucha probabilidad será el resultado de la aportación conjunta de diversos tipos de materia no bariónica como los WIMPs o los axiones.

Credit: NASA, ESA, M.J. Jee and H. Ford (Johns Hopkins University)

Pero… ¿por qué resulta tan difícil detectar la Materia Oscura?

La respuesta a esta pregunta está relacionada con nuestra “ceguera” hacia todo lo que no sea la luz. Nuestra ciencia y nuestra tecnología actuales (telescopios, LHC) nos permiten ser bastante buenos en detectar campos/partículas de interacción electromagnética en cualquier longitud de onda, desde rayos gamma hasta ondas de radio. Sin embargo, ninguna de las partículas candidatas propuestas (los WIMPs que mencionábamos) interactúa de forma electromagnética, solo gravitatoriamente.

Por hacer un símil, es como si hiciésemos una fotografía a un músico e intentásemos OIR su interpretación observando la imagen resultante. Ya que el sonido no se propaga en forma de ondas electromagnéticas, evidentemente no aparecería reflejado en la fotografía donde sí hemos captado la luz (fotones) de la imagen.

Así pues, se han creado instalaciones especiales con sensores de alta sensibilidad en minas subterráneas o bajo montañas para detectar sutiles interacciones de esos WIMPs que, circulando por todo el universo, atraviesan nuestro planeta. No olvidemos que, al no interactuar elecromagnéticamente, estas partículas no se verían afectadas por los núcleos y electrones que forman la materia ordinaria, sino que la atravesarían limpiamente.

Representación artística de la interacción entre Materia Oscura y la Tierra (Credit: NASA/JPL-Caltech)

Aunque en los últimos 30 años se han desplegado varias de estas instalaciones por el planeta (USA, Canada, Europa, Asia, e incluso la Antártida), lamentablemente ninguno de estos experimentos y mediciones han dado a día de hoy (2017) resultados concluyentes. Hay posibles evidencias o trazas pero no certezas, por lo que seguimos sin poder atrapar a nuestros “sospechosos”.

Pero, ¿y si nuestra línea de investigación estuviese equivocada? Podría ocurrir. Se han propuesto teorías alternativas MOND en las que la Materia Oscura no sería necesaria si modificásemos las leyes de la dinámica newtoniana. Sin embargo, estas teorías buscan generalmente dar respuesta SOLO al problema de la curva rotacional de las galaxias, y fallan estrepitosamente cuando intentan aplicarse a todas las otras evidencias detectadas.

Posiblemente todavía necesitaremos algunos años más antes de poder determinar la auténtica esencia de la esquiva Materia Oscura y podamos finalmente atrapar a nuestro “invisible” sospechoso. Hasta entonces, deberemos seguir incansablemente con la búsqueda de nuevas pistas y aplicando sabiamente el criterio de falsabilidad a cualquiera de las hipótesis propuestas, ya que es en eso, y no en postulados exóticos o titulares impactantes, en lo que se basa cualquier buena investigación científica.