¿De qué está hecha la materia oscura?

Es uno de los grandes enigmas de la física: saber de qué materia está hecho el universo. Porque sabemos que más del 80% es materia oscura, pero desconocemos de dónde viene y de qué está hecha. Solo sabemos una cosa: no es materia tal y como nosotros la conocemos.

 

En 1933 el heterodoxo astrónomo Fritz Zwicky decidió “pesar” el cúmulo de galaxias situado en la constelación de Coma Berenices midiendo el movimiento de las galaxias. Al hacerlo descubrió que las galaxias se movían a velocidades altísimas, del orden de los mil kilómetros por segundo. No había que ser muy avispado para ver que esto planteaba una seria dificultad. Si la masa total del cúmulo fuera sólo la contenida en las galaxias, la que es visible a través de nuestros telescopios, éste tendría que haber dejado de existir: las galaxias ya se habrían dispersado por el espacio pues su masa total no es suficiente para mantenerlas unidas gravitacionalmente. Ahora bien, como el cúmulo no se había “evaporado” sólo quedaba un única solución: había más materia en el cúmulo que la que puede verse a través de los telescopios. Zwicky concluyó que la masa oculta de Coma debía ser del orden o dos veces mayor que la visible en forma de galaxias. El siempre arriesgo Zwicky aquí se quedó corto: es 10 veces mayor.

Esa “masa perdida” -como la llamó Zwicky- durmió el sueño de los justos durante casi medio siglo hasta que en 1977 la astrónoma Vera Rubin, observando la rotación de las galaxias espirales, descubrió que para explicarla necesitaba más masa que la que se encuentra en forma de estrellas y nebulosas. En nuestra galaxia, la Vía Láctea, las estrellas viajan por el espacio a unos 240 kilómetros por segundo, independientemente de si se encuentran cerca del centro galáctico o en los arrabales. Esto es debido a que existe una esfera de materia oscura que envuelve la Galaxia. Es como la yema del huevo: forma parte de algo mayor. En nuestra región galáctica los astrónomos infieren que existe una masa diez veces mayor que la de toda la masa visible en ella y más del 90% de la masa total de los cúmulos de galaxias se encuentra en forma de materia no visible, oscura.

Candidatos a materia oscura

Ahora bien, ¿qué es esa materia oscura? Desde estrellas de baja masa a agujeros negros, pasando por partículas exóticas productos de los sueños de los físicos teóricos, la caza de esa materia faltante es uno de los problemas más importantes a resolver por la astrofísica del siglo XXI. Esencialmente los candidatos a materia oscura se pueden dividir en tres categorías: materia oscura caliente, materia oscura fría y materia oscura ordinaria (también conocida como materia bariónica).

La más fácil de imaginar es la última de las tres. Y también es la más difícil de justificar, pues la materia de la que estamos hechos sí emite. Nosotros, por ejemplo, radiamos en el infrarrojo: de ahí las gafas de visión nocturna usadas por los comandos y las fuerzas especiales. Esta materia ordinaria que todavía no hemos podido detectar se encontraría en forma de cuerpos tipo Júpiter, estrellas enanas marrones, galaxias enanas..., o los socarronamente llamados MACHOs (Massive Compact Halo Objects, objetos de gran masa del halo galáctico) -que incluyen agujeros negros, estrellas enanas marrones y planetas tipo Júpiter-, y RAMBOs (Robust Associations of Massive Baryonics Objects, asociaciones robustas de objetos masivos bariónicos), que no serían otra cosa que acumulaciones de MACHOs. Aunque puedan existir, la mayoría de los astrónomos lo dudan porque si se hacen números salen cantidades que asustan: 5 billones de “estrellas oscuras” frente a 200.000 millones de estrellas luminosas. Parece irrefutable que este tipo de materia oscura no puede dar cuenta de lo que sucede en cúmulos y supercúmulos de galaxias. Para explicar las observaciones debemos apelar a otro tipo de materia completamente diferente.

Resulta fascinante cómo los cosmólogos pueden hablar de una materia que no sólo no han visto sino que no tienen ni idea de cómo es: aquí vale tanto partículas exóticas provenientes de las calenturientas mentes de los físicos teóricos como ejemplares de la revista Muy Interesante distribuidos por el espacio. El único inconveniente es justificar, de manera razonable, qué hacen y cómo llegaron esos ejemplares al frío espacio intergaláctico. A pesar de semejante inconveniente, los cosmólogos clasifican esta desconocida materia exótica en dos tipos: caliente y fría. Son dos términos cosmológicos que están referidos a la velocidad a la que se mueven las partículas que la componen. Si tienen una masa del orden de la del protón, entonces se moverán lentamente: es la materia fría. Pero si son más ligeras, viajarán a velocidades cercanas a la de la luz: es la materia caliente. El candidato más popular a materia oscura caliente es el neutrino, una partícula enormemente peculiar pues prácticamente no interacciona con nada: puede atravesar un bloque de plomo de decenas de años-luz de tamaño sin enterarse.

¿Materia oscura fría o caliente?

¿Por qué los cosmólogos distinguen entre ambos tipos? Porque la existencia de un tipo u otro de materia oscura decide la forma en que se construyó el universo. De las diferentes simulaciones de la distribución de galaxias a gran escala teniendo en cuenta modelos de materia oscura fría y caliente se obtienen dos resultados llamativamente diferentes. Mientras que el modelo frío asegura la formación de estructuras de abajo-arriba -primero aparecen las galaxias y después los cúmulos y supercúmulos-, el modelo caliente hace justamente al contrario: las galaxias aparecen por fragmentación de estructuras mayores.

Ahora bien, si miramos cómo predicen la distribución de galaxias a gran escala, ambos modelos presentan problemas. La materia oscura fría tiene dificultades a la hora de explicar los grandes vacíos y los filamentos de galaxias y cúmulos de galaxias que se observan en el universo, mientras que la materia oscura caliente “se pasa” y predice demasiada estructura. ¿Solución? Totalmente salomónica: la materia oscura exótica es una mezcla de fría y caliente.

Con todo, el consenso actual tiende a favorecer el modelo frío pues es consistente con las fluctuaciones de la radiación del fondo cósmico de microondas. Ahora bien, la pregunta del millón es: ¿De qué está hecha esa materia oscura fría? Quizá sean WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), partículas masivas que interaccionan débilmente. Bajo este nombre de detergente se agrupan toda una colección de partículas que nacen de las ecuaciones de los expertos en unas teorías que pretenden unificar los constituyentes de la materia y las fuerzas elementales bajo una única expresión, en una única superpartícula (o superfuerza). 

Por supuesto existen detractores de que exista un tipo de materia que ni se vea ni interaccione con la materia ordinaria -salvo gravitatoriamente-. Para el que fuera premio Nobel de Física Abdus Salam la materia oscura es como los invisibles djinns (genios) de Las mil y una noches. Otros físicos afirman que no existe tal materia oscura sino lo que relamente necesitamos es una nueva física. Eso implica modificar una de las más sacrosantas teorías de la física del siglo XX, la relatividad general; defienden que al igual que la gravitación newtoniana no explica lo que sucede cuando tenemos campos gravitatorios intensos, quizá la relatividad einsteniana no sea aplicable a grandes distancias. Sea cual sea la solución, lo único cierto es que la materia oscura lleva entre nosotros casi 90 años y seguimos sin saber qué demonios es.

Referencias:

Panek, R. (2011) The 4% universe, HMH Books

Miguel Ángel Sabadell

Miguel Ángel Sabadell

Me licencié en astrofísica pero ahora me dedico a contar cuentos. Eso sí, he sustituido los dragones y caballeros por microorganismos, estrellas y científicos de bata blanca.

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