La vaca esférica

Publicado el eltrinador

La materia oscura: Posible ganador del premio Nobel de física 2015

Este Martes será entregado el premio Nobel de Física. Pese a que en estos últimos años los descubrimientos científicos han aumentado vertiginosamente y existen muchas contribuciones que merecen el premio, me podría arriesgar por un descubrimiento que quizá ha dado mucho de que hablar: la materia oscura. En pocas palabras, los descubrimientos hechos, principalmente por la astrónoma Vera Rubin en la década de 1970, evidencian que puede existir algún tipo de materia que interactúa gravitatoriamente con la materia normal pero que no emite ni absorbe ningún tipo de luz. De hecho, simplemente, la deja pasar no sin antes desviarla por su gravedad. Aún no sabemos de qué se trata realmente la materia oscura y los esfuerzos por encontrar su naturaleza han trascendido no solo la astronomía sino la física de partículas y gran parte de los modelos cosmológicos. Empecemos.

vera rubin

Evidencias de la materia oscura

La mecánica celeste fue una de las primeras teorías científicas que permitió describir eventos con gran exactitud. Desde eclipses, pasando por cometas hasta cosas increíbles como calcular la masa del Sol simplemente al observar la velocidad y posición de los planetas al orbitar en torno a él. Con la misma técnica, observando posibles desviaciones en los movimientos de algún cuerpo celeste, puede encontrarse algún otro cuerpo que ejerza una fuerza gravitatoria sobre él. Así paso, por ejemplo, en 1846 cuando perturbaciones en el movimiento del recién descubierto planeta Urano, permitieron predecir la ubicación casi exacta de un nuevo planeta antes desconocido: Neptuno.

La confianza que le tienen los científicos a la ley de gravedad es enorme. De manera que, así como se usa para medir la masa del Sol, algunos astrónomos intentaron calcular la masa de algunas galaxias espirales observando la manera en que se movían las estrella en ellas. La hipótesis principal  es que la mayor parte de la masa de un galaxia espiral se concentra en su centro y las estrellas en la periferia, gracias a la gravedad, giran en torno al centro galáctico de la misma manera que lo hacen los planetas en torno al Sol.

Con esto en mente se esperaría que a medida que nos alejemos del centro galáctico, observaremos que los cuerpos orbitan a menor velocidad. Por ejemplo, la Tierra se mueve, en torno al Sol a unos 30 Km/s mientras que Neptuno, 30 veces más lejos del Sol lo hace apenas a unos 5 Km/s. Esto es predicho casi exactamente por la ley de gravedad.

Las primeras mediciones de la masa de galaxias, publicadas por  Vera Rubin en 1975, mostraron que ¡las estrellas exteriores se mueven a la misma velocidad que las estrellas más cercanas al centro de las galaxias! Esto contradecía nuestra hipótesis de que la masa de las galaxias se encuentra principalmente en su centro, pero ¡eso es lo que observamos! según como brillan, gran parte de las estrellas e incluso agujeros negros de miles y hasta millones de veces la masa de nuestro Sol podrían estar en el centro de las galaxias espirales y estrellas pequeñas como nuestro Sol se encuentran en la periferia orbitando en torno a ellas. Por lo tanto, la materia que, con su atracción gravitatoria, hace que las estrellas se muevan más rápido, debe estar uniformemente distribuida por la galaxia y no debe emitir ni absorber luz.

A ese tipo de materia que influencia gravitatoriamente a la galaxia pero que no se ve, es decir, no emite luz ni la absorbe, se le llamo materia oscura. Para que no interactúe con la luz, esta materia debe ser eléctricamente neutra o lo suficientemente pequeña para pasar desapercibida por los telescopios al no obstruir la luz de otras estrellas.

Si se tratara de correcciones menores seguro se trataría de una anomalía no muy importante pero resulta que según estas observaciones, la materia oscura es cinco veces más abundante que la materia normal. Es como si en vez de Neptuno, en 1846, se hubiera encontrado una estrella cinco veces más grande que nuestro Sol.

Candidatos «normales»

En un principio se pensó que la materia oscura podrían ser planetas o agujeros negros que viajaban solitarios por la galaxia. Estos objetos se llamaron MACHOs (Masive Compact Halo Object) sí, el acrónimo es reforzado para que sea gracioso. Sin embargo, estos objetos no pueden ser muy masivos por dos razones: la primera es que la densidad de materia oscura debe ser uniforme en el espacio y no tan localizada como un agujero negro, segundo porque si fuesen muy masivos, permanecerían muy cerca de los objetos masivos de materia ordinaria.

La materia oscura eléctricamente neutra no chocaría con la ordinaria pues lo que interpretamos como «choque» en realidad es una repulsión eléctrica pero sí se mezclarían y harían de la materia oscura no algo sutil sino importante a escala normal. En otras palabras, nuestro Sol sería mucho más pesado pues estaría conformado por materia oscura pero lo que vemos es que la materia oscura está en todo el espacio pero su efecto es tan pequeño, imperceptible a nuestra escala, que solo es apreciable a escala galáctica.

Según los modelos actuales, la materia oscura se distribuiría de manera esférica envolviendo una galaxia espiral como se muestra a continuación. Así, existiría independientemente a la materia normal pero se aglutinaría con ella formando, también, una especie de galaxia pero de materia oscura.

nube de antimateria envolviendo la galaxia
Nube de materia oscura envolviendo a una galaxia. Fuente: Universidad de Oregon

La evidencia fundamental de que la materia oscura se distribuye uniformemente por el espacio fue esta imagen obtenida por el telescopio espacial Hubble en 2007.

materia oscura
crédito NASA

En ella se observa un anillo invisible que sin embargo deforma la trayectoria de la luz como lo hacen los objetos con mucha masa (lentes gravitacionales). Este anillo se formó hace varios miles de millones de años cuando colisionaron dos galaxias. Parte de la materia oscura salió despedida violentamente formando este aro.

Esta imagen también parece contradecir otro tipo de hipótesis que pretendían explicar las anomalías de rotación de las estrellas de la galaxia como la mecánica newtoniana modificada (MOND) que proponía que la segunda ley de Newton F=ma en realidad tenía una aceleración residual extremadamente pequeña e imperceptible a escalas normales pero que se volvía importante a escalas galácticas. De manera que los efectos de la materia oscura realmente corresponden a materia ordinaria cuya gravedad está mal calculada. De ser eso cierto, el anillo de antimateria no se hubiera observado aislado de la materia usual. Por lo tanto, la idea de que la materia oscura en realidad es materia normal con diversas propiedades, aunque no es descartada, no permite dar cuenta de correcciones tan grandes.

Candidatos subatómicos

En el modelo estándar no existen partículas que no interacúen con la luz y sean lo suficiente pesadas para ser responsables del 85% de la masa del universo. Ya explicamos en este artículo (recomendado antes de continuar) que, por ejemplo, los neutrones libres solo son estables aproximadamente unos 12 minutos y los neutrinos aunque posiblemente tengan masa, son muy livianos y se mueven tan rápido (prácticamente a la velocidad de la luz) de tal forma que si conformaran la materia oscura, no permitirían que las galaxias tuvieran la estructura que observamos. Así que si la materia oscura estuviera conformada por partículas elementales, ninguna de las que conocemos tendría esas características. Es necesario ir más allá del exitoso modelo estándar.

Una partícula muy opcionada es el neutralino. Es una hipotética partícula neutra varias veces más pesada que el protón y que se propuso dentro del modelo de supersimetría. Estas partículas interactuarían muy débilmente con la materia ordinaria y solo lo harían gravitacionalmente. En busca del neutralino, el gran colisionador de Hadrones (LHC) se encendió hace poco con el doble de energía que se usó para descubrir el bosón de Higgs. Si se encuentra evidencias de la producción de esta partícula, se extendería nuestros conocimientos más allá del modelo estándar y se apoyaría un modelo que permitiría describir el universo en instantes aún más cercanos al Big Bang: cuando la fuerza electromagnética, la fuerza débil y la fuerza fuerte eran una sola fuerza.

Pero, por el contrario, podríamos encontrarnos con cosas que ni siquiera hemos previsto. Quizá un tipo de partículas totalmente nuevas que tengan sus propias interacciones independientes de las nuestras y que solo interactúen con nosotros por su gravedad. Hasta que no se midan y se confirme su existencia, todas las posibles explicaciones de la materia oscura serán especulaciones, nada para creer con seguridad.

Así, el descubrimiento hecho por Vera Rubin ha estímulado enormemente a la física desde gran parte de sus campos de estudio y seguramente la materia oscura será un tema muy escuchado por todos nosotros durante los próximos años. Es por eso que considero que se ganará el premio Nobel de física.

@eltrinador

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