Esas maravillosas partículas - La materia oscura2008/04/23

Continuamos hoy buceando por el extraño pero fascinante

mundo de las partículas subatómicas dentro de la serie Esas

maravillosas partículas. Hace ya unos cuantos artículos que

estamos hablando de partículas que no están dentro

del Modelo Estándar de partículas subatómicas. Existen

multitud de partículas hipotéticas fuera del modelo, unas más

plausibles que otras, y estamos hablando de las que más

felices harían a muchos físicos si se descubrieran (ni qué decir

tiene que otros se comerían el sombrero).

Hoy no vamos a hablar de ninguna partícula específica, sino

de un asunto más amplio y que necesitamos mencionar antes

de estudiar algunas partículas que llegarán a la serie en

breve. Antes de seguir con más “maravillosas partículas”

haremos un pequeño interludio para hablar sobre unaTerra

incognita de la cosmología moderna: la materia oscura.

Algunos lleváis esperando este artículo (así como otro sobre

la energía oscura, que llegará tarde o temprano) durante

meses, de modo que espero que me perdonéis la tardanza y

disfrutéis de la lectura.

La razón de que hablemos de ella en esta serie es

sencillamente que, como veremos a lo largo de esta entrada,

una de las explicaciones más satisfactorias de la existencia de

la materia oscura para la mayor parte de los físicos es

precisamente la existencia de partículas elementales

hipotéticas, de características algo peculiares. Pero antes de

postular más partículas, ¿por qué necesitamos hacerlo? En

otras palabras –y estoy convencido de que muchos de

vosotros habéis pensado esto con palabras algo más

fuertes–, ¿qué diablos es la famosa materia oscura?

Aquí tienes mi definición: la materia oscura es todo lo que

no vemos ni sabemos lo que es, pero pensamos que

está ahí. No intimida tanto como el nombre parece sugerir,

¿no? En cierto sentido, es como el nombre Terra incognita que

los cartógrafos solían aplicar a los territorios aún no

explorados. Ahí había algo, desde luego, pero nadie sabía

qué. Es más sencillo decir materia oscuraque lo que sabemos

que hay en el Universo pero que no tenemos ni la más remota

idea de lo que es. Además, el físico que utiliza la primera

expresión suena más sabio, ¿y a qué físico no le gusta sonar

sabio ante el profano?*

Desde luego, no podemos quedarnos aquí. En primer

lugar, ¿por qué pensamos que hay algo que no vemos? Y en

segundo lugar, aunque no sepamos lo que es, no podemos

simplemente marcar los mapas del cosmos con “Aquí hay

dragones”: ¿qué alternativas plausibles hay? ¿qué cosas

podría haber ahí fuera que no podamos ver de ninguna

manera?

Para entender la razón de que pensemos que hay muchas

cosas ahí fuera que no vemos hace falta comprender el

concepto de velocidad orbital, que ya mencionamos al hablar

acerca del ascensor espacial. Básicamente, cuando un objeto

gira alrededor de otro debido a la fuerza de la gravedad, la

velocidad con la que se mueve depende de la distancia al

centro de gravedad y de la masa que atrae al objeto.

Un ejemplo algo tonto: si la Tierra tuviera menos masa de la

que tiene, la fuerza de atracción sobre la Luna sería menor y

la velocidad de nuestro satélite a nuestro alrededor, si se

mantuviera en la misma órbita, sería más pequeña. Del

mismo modo, si la Luna se encontrase más cerca de nosotros,

necesitaría moverse más deprisa para mantener la distancia.

Dicho de otra manera: sabiendo la velocidad de la Luna y

su radio de giro es posible determinar la masa del

objeto que la atrae hacia el centro, en este caso la

Tierra.

Es decir, alguien podría no ver la Tierra sino simplemente la

Luna, medir el radio de su órbita y su velocidad de giro: a

partir de estos datos (ni siquiera hace falta la masa de la

Luna) sería posible calcular la masa del objeto que la hace

girar, es decir, la Tierra.

Bien, esto precisamente estaba haciendo en 1933 el

astrofísico suizo Fritz Zwicky, sólo que no lo hacía para la

Tierra y la Luna, sino para un cúmulo de galaxias muy lejano,

el Cúmulo de Coma, que se encuentra a unos 321 millones de

años-luz de nosotros. Las galaxias de ese cúmulo, como las de

todos ellos, se encuentran realizando órbitas alrededor del

centro de gravedad del cúmulo. Zwicky estimó la masa total

del cúmulo de galaxias a partir del brillo de las estrellas,

suponiendo que se trataba de galaxias “normales”, con una

proporción determinada de masa en las estrellas frente a

materia menos visible, como nubes de gas y polvo. Luego

calculó la misma masa a partir de la velocidad de las galaxias

y la distancia al centro de gravedad del cúmulo – algo similar

a lo que he descrito en el párrafo anterior, aunque bastante

más complicado (pero eso no viene al caso ahora).

Lo importante es que el resultado parecía totalmente

absurdo: la masa del cúmulo, calculada a partir de la

velocidad de las galaxias, era mayor que la masa visible. Pero

no era sólo un poco mayor, algo que podría deberse a algún

fallo en el cálculo o alguna fracción de la masa que no se

pudiera haber visto bien. Ni siquiera era bastante mayor: era

400 veces más masivo de lo que se veía. Zwicky se dio

cuenta rápidamente de que había algo muy, muy importante

ahí mismo – algo que no se podía ver, pero que debía estar

allí. Algún tipo de materia que, por razones desconocidas, no

se podía detectar desde la Tierra.

Posteriormente se realizaron distintos cálculos en muchas

partes del firmamento, y la conclusión era siempre la misma:

hay mucha más masa ahí fuera que la que podemos ver. En

particular, el trabajo de Vera Rubin a finales de los 60 y

principios de los 70 mostró que todas las galaxias espirales

que podemos ver giran más deprisa de lo que necesitarían, si

su masa fuera la que percibimos. La conclusión, una vez más,

es que en ellas hay mucho que no podemos ver. Con lo de

“podemos ver” no sólo me refiero a las estrellas: gran parte

del gas y el polvo interestelares son visibles de una u otra

forma, porque absorben y emiten radiación más o menos

energética. Lo que falta por ver no es simplemente “difícil de

ver”: nos es totalmente invisible.

Además, como en el caso de Zwicky, no se trata de un

pequeño desajuste entre lo que vemos y lo que nuestros

cálculos indican que está ahí. Para que te hagas una idea,

observa el siguiente diagrama de la composición estimada

del Universo:

Aparte de la energía oscura (de la que hablaremos en algún

otro momento, pero que es otra forma de decir “Aquí hay

dragones”), fíjate en la diferencia entre la materia que vemos

y la materia oscura: ¡un 4% frente a un 23%! Esto quiere

decir que, de acuerdo con nuestros cálculos, ahí fuera hay

casi seis veces más materia oscura que la normal. No

es un problema de un leve ajuste: realmente no tenemos ni

idea de cómo es el Universo.

Naturalmente, los físicos se dedicaron entonces a tratar de

explicar la razón de esta diferencia tan catastrófica entre lo

que vemos y lo que calculamos. Básicamente existen dos

explicaciones posibles, y aún no estamos completamente

convencidos de cuál es la correcta:

Nuestros cálculos están mal. Esto sería posible si, por

ejemplo, nuestras concepciones de la gravitación o de la

inercia son erróneas. Existen modelos alternativos que

definen una gravedad modificada respecto a la de Einstein,

modificaciones de las Leyes de Newton e incluso intentos de

construir una teoría cuántica de la gravedad que justifique las

observaciones. Sin embargo, ninguno de estos modelos ha

logrado hasta el momento ajustarse a las observaciones que

hemos realizado.

Realmente hay algo ahí fuera que no vemos. Si es así,

nuestros esfuerzos deben dirigirse en primer lugar a postular

hipótesis sobre la naturaleza de ese algo (porque “materia

oscura”, por mucho que impresione al lego, no llega muy

lejos), y en segundo lugar a tratar de detectarlo. Sí, es

invisible para muchos de nuestros medios de observación,

pero hay que encontrar alguna manera en la que sí pueda

detectarse directamente.

De hecho, hemos detectado indicios de materia

oscura difíciles de ignorar varias veces. El problema, en

general, es que parece estar localizada en los lugares en los

que hay materia normal (como los halos de las galaxias),

como si estuviera mezclada con ella. Sin embargo, hemos

tenido suerte en alguna ocasión, cuando colisiones

tremendas han separado temporalmente la materia oscura de

la materia que podemos ver. Ya hablamos hace un año de una

de estas observaciones, en la que se observó la influencia

gravitatoria de un anillo enorme de materia que deformaba la

luz que nos llega, pero que era totalmente invisible en todas

las longitudes de onda.

Aquí puedes ver una imagen del cúmulo en el que se detectó

este anillo, combinada con la influencia gravitatoria de la

materia que no vemos, que se muestra como un anillo más

oscuro (la imagen está tratada, realmente no se ve el anillo

sino su influencia gravitatoria):

Anillo de materia oscura. [Versión a 1280x1280

px](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c3/CL00

24%2B17.jpg “”). Crédito: NASA.

Este tipo de observaciones hacen que la mayor parte de los

científicos sean partidarios de la segunda de las posibilidades

de las que hemos hablado arriba, es decir, pensamos que sí

que hay algo en el Universo que no podemos ver y que aporta

un porcentaje tremendo de su masa total. Con lo que

tenemos que preguntarnos qué diablos es, y para eso

también hay, básicamente, dos posibilidades que no se

excluyen mutuamente con un nivel de aceptación razonable:

Se trata de objetos estelares difíciles de ver. Es decir, es

materia normal a nivel subatómico, con lo que su masa

estaría fundamentalmente formada por protones y neutrones,

como la demás, pero estos cuerpos celestes pueden ser casi

imposibles de ver por no emitir radiación y ser muy

compactos. Se trataría, en cualquier caso, de materia oscura

compuesta por bariones, es decir,materia oscura

bariónica.

Se trata de partículas subatómicas más o menos

exóticas. En este caso no estaríamos hablando de bariones –

como los protones y neutrones– sino de otras partículas, como

los neutrinos o incluso partículas hipotéticas no

pertenecientes al Modelo Estándar. Como te puedes imaginar,

esta sería la posibilidad más interesante y va a llevarnos a

hablar en la serie de algunas de estas partículas. En este caso

estaríamos hablando de materia oscura no bariónica.

La primera opción es menos revolucionaria. Sí es cierto que

hay algunos objetos estelares compuestos de materia normal

y corriente que son muy difíciles de ver, como los agujeros

negros, las estrellas de neutrones o las enanas marrones,

sobre todo si están aislados. Pero recuerda que para explicar

la gigantesca cantidad de masa que nos queda por ver haría

falta un número enorme de estos objetos, y la mayor parte de

ellos suelen estar dentro de sistemas estelares normales, con

lo que son más fáciles de detectar.

Puesto que este tipo de objetos deberían ser muy masivos y

compactos y encontrarse fundamentalmente en los halos de

las galaxias, se denominan MACHOs: Massive Astrophysical

Compact Halo Objects, o lo que es lo mismo, Objetos

Astrofísicos de Halo Masivos y Compactos. El nombre es algo

rebuscado porque es algo jocoso, y pretende ser

precisamente la palabra “macho”. La razón es que la otra

alternativa fundamental, de la que hablaremos en el

siguiente artículo de la serie, es justo lo contrario: algo

pequeño y sutil que, como veremos, es algo así como

un “alfeñique”. ¿Quién ha dicho que los astrofísicos no

pueden divertirse con nombres estúpidos de vez en cuando?

Aunque la verdad es que, como enclenque y alfeñique que

soy, no me hace demasiada gracia el nombre.

MACHO (agujero negro aislado actuando de lente

gravitatoria). Crédito: Ute Kraus (CC 2.0 Attribution

Sharealike License).

La explicación de los MACHOs tiene diversos problemas. Uno

de ellos es que la mayor parte de ellos son díficiles de

detectar, pero no imposibles de detectar. Para explicar una

masa total del Universo debida a ellos mucho mayor que la

que podemos ver debida a las estrellas normales hacen falta

muchísimos, y hasta ahora no se ha detectado el número

suficiente ni de lejos. Además, los modelos

de nucleosíntesis que describen la formación de átomos

después del Big Bang indican que no es posible que se hayan

formado tantísimos protones y neutrones comparados con el

resto de partículas fundamentales como para justificar la

existencia de esa legión de MACHOs que no vemos.

Desde luego, nadie duda de que hay muchos MACHOs (no, no

voy a hacer ninguna broma fácil), y hemos hablado de varios

tipos de ellos en La vida privada de las estrellas. Se han

observado, directa o indirectamente, todos ellos, y cada vez

somos más eficaces en detectarlos. De hecho, se piensa que

estos objetos escurridizos tal vez representen hasta un 20%

de la materia oscura de nuestra galaxia si nos ponemos

generosos – pero parece difícil que ellos solos sean la

explicación.

Ahí entra, por fin, la física de partículas en la que tanto nos

regodeamos en esta serie: ¿qué partículas subatómicas

servirían para explicar la materia oscura? Sólo hay una

partícula subatómica del Modelo Estándar que reúne las

características necesarias para explicar esa tremenda

cantidad de masa invisible, pero la mayoría de los

cosmólogos piensa que debe haber algo más que constituya

la mayor parte de la materia oscura. ¡Ah, pero de eso

hablaremos en la próxima entrada de la serie!