Y la materia, ¿de qué está hecha? II. La materia oscura.

En el post anterior describí el modelo estándar, que da cuenta de cuáles son los constituyentes fundamentales de la materia que conocemos y de cómo interactúan entre sí. Esta situación debiera sin duda resultar más que satisfactoria, máxime si recordamos los esfuerzos que durante mucho tiempo mantuvieron entretenidos a muchos científicos y filósofos en la búsqueda de esos componentes elementales de la materia.
Sin embargo, desde hace algunos años, el panorama de este argumento básico de la física (y también, ¿por qué no?, de la ciencia) ha experimentado una notable agitación, ya que la materia conocida, esa que puede conformarse a partir de los 6 quarks y los 6 leptones (y sus correspondientes antipartículas) que veíamos en la primera entrega, no es más que una exigua parte del contenido total de materia-energía en el universo: apenas un 5%. Y entonces, ¿qué es el 95% restante? Pues de momento no se sabe mucho al respecto, aunque se tiene constancia de su existencia, lo que no es poco, y de que consta de dos partes que tienen nombre y apellido: materia y energía oscuras. Ésta supondría poco más del 70% de ese contenido total y aquélla poco menos del 25%. En este post voy a referirme a la materia oscura. Y lo más conveniente es que empecemos por el principio porque resulta que, a pesar de lo que uno pudiera suponer, su hipótesis no es tan reciente.
La primera mención a la materia oscura la hizo Jan Hendrik Oort, en un artículo publicado en 1932. Oort analizó el movimiento de algunas estrellas de la Vía Láctea y llegó a la conclusión de que faltaba materia ya que, si no fuera así, esas estrellas tendrían que escaparse de la galaxia. Oort denominó “materia oscura” a esa masa que echaba en falta.
Un año más tarde Fritz Zwicky, hizo un descubrimiento sorprendente estudiando el cúmulo de Coma, una formación a más de 300 millones de años luz de nosotros. Zwicky observó grandes diferencias, de hasta unos 2000 km/s, en las velocidades de varias de las galaxias del cúmulo. Asumiendo que éste debía encontrarse ya en un estado estacionario, y haciendo uso del teorema del virial, encontró que, para explicar la dispersión de los datos, la densidad media del cúmulo debería ser unas 400 veces mayor que la que se estimaba a partir de la observación directa de las galaxias que lo integraban (unas 800 galaxias con una masa de unas 10⁹ masas solares cada una). Concluía Zwicky: “Si esto se confirmara, obtendríamos el sorprendente resultado de que la materia oscura está presente en una cantidad mucho mayor que la luminosa.” Y como vemos habló ya abiertamente de “materia oscura”.
En 1936, Sinclair Smith encontró resultados similares a los de Zwicky pero en el cúmulo de Virgo, algo más cercano a la Tierra. Smith avanzó la posibilidad de que la falta de materia podía asignarse a “una gran masa de material intergaláctico dentro del cúmulo.” Smith tenía parte de razón. Entonces no se tenía constancia de la existencia del polvo y del gas intergalácticos que suponen un porcentaje notable (de hasta un 70% o más) del total de la materia “normal” de un cúmulo, pero, aún así, no podía darse cuenta de todo el efecto que tanto Zwicky como Smith habían observado. El monto que aquél había estimado para la materia oscura era excesivo (no sólo por la masa del gas y del polvo intergaláctico que no incluyó en sus cálculos, sino también porque el valor de la constante de Hubble que utilizó, el entonces admitido, era casi un orden de magnitud mayor que el hoy día aceptado). Sin embargo eso no invalidó su argumento acerca de la presencia de ese nuevo tipo de materia de propiedades desconocidas.
Para encontrar el siguiente hito en la historia de la materia oscura hay que ir a 1959. Ese año Franz D. Kahn y Lodewijk Woltjer analizaron el movimiento relativo de la galaxia de Andrómeda y de la Vía Láctea. Ambas se encuentran en el denominado Grupo Local, son las más grandes del mismo, distan unos 2.5 millones de años-luz y orbitan una alrededor de la otra acercándose con una velocidad de unos cientos de km/s. Lo que encontraron Kahn y Woltjer fue que la masa efectiva del sistema en el centro de gravedad ascendía a, como mínimo, 1.8·10¹² masas solares, es decir, muy por encima de la masa estimada para el mismo. Y concluyeron que debía haber al menos 1.5·10¹² masas solares de materia intergaláctica invisible distribuida por el Grupo Local, probablemente en forma de gas a alta temperatura. Kahn y Woltjer no mencionaron la materia oscura en su trabajo, ni referenciaron los artículos de Oort, Zwicki y Smith: o bien desconocían el tema o no pudieron o supieron establecer relación alguna entre la falta de masa que ellos habían observado y la que resultaba de los estudios de estos otros autores.
Andrómeda ha sido uno de los lugares ideales donde mirar para encontrar trazas de la materia oscura. Precisamente estudiando la “curva de rotación” de esa galaxia, una representación de cómo varía la velocidad de rotación de las estrellas en función de su distancia al centro de la misma, fue cómo en 1970 Vera C. Rubin y W. Kent Ford Jr. pusieron números a un descubrimiento que dejó definitivamente fuera de duda la existencia de la materia oscura. Un sencillo cálculo de mecánica nos indica que esas velocidades, v, están relacionadas con la masa, M, existente en el interior de la órbita de la estrella. La correspondiente expresión es: v=√(G·M/r), donde G=6.673·10^-11 N m²kg^-2 es la constante de gravitación universal y r es el radio de la órbita. Lo que Rubin y Ford esperaban encontrar era una disminución paulatina de las velocidades a medida que las estrellas estudiadas estaban más y más alejadas del centro de la galaxia: a partir de un radio orbital dado, era evidente que la masa galáctica no crecía más y la velocidad debía ir reduciéndose en proporción inversa a la raíz cuadrada de r. Sin embargo lo que encontraron fue esto:

Es decir, que las velocidades de rotación de las estrellas alejadas del centro galáctico entre 4 y 20 kpc eran muy similares. El que la velocidad de las estrellas situadas en las regiones más externas de Andrómeda rotaban con velocidades mucho más altas de las que cabía prever ya había sido puesto de manifiesto en 1939 por Horace W. Babcock quien, sin embargo, no profundizó en los aspectos importantes de los que estamos hablando aquí. Me ha llamado la atención leyendo sobre la materia oscura que este trabajo de Rubin y Ford crea disparidad de opiniones: para algunos autores es un hito sin par en su descubrimiento, mientras que otros apenas si lo citan de soslayo.
En 1975 Morton S. Roberts y Robert N. Whitehurst encontraron esencialmente los mismos resultados que Rubin y Ford pero incrementando el rango de distancias al centro de la galaxia que alcanzó los 30 kpc.
Curiosamente, la desconexión entre la astrofísica galáctica y la estelar parecía patente: ni Babcock, ni Rubin y Ford, ni Roberts y Whitehurst citan en sus trabajos los artículos de Oort, Zwicki y Smith ni mencionan la materia oscura en sus artículos. Pero lo importante es que a principios de los 80 del pasado siglo existían evidencias indiscutibles acerca de su existencia.
No obstante, otras posibles explicaciones que dieran cuenta de las inesperadas velocidades de galaxias y estrellas fueron planteadas. De ellas las que más seguidores han tenido son las teorías de dinámica newtoniana modificada (MOND, por su acrónimo en inglés). Fue Babcock el primero en hacer referencia a ellas. En el artículo de 1939 que mencionábamos antes, indicaba que aparte de otras posibles explicaciones, “… quizás se requieran nuevas consideraciones dinámicas que permitan una menor masa relativa en las partes externas [de la galaxia].” La hipótesis básica de estas teorías es que la ley de la gravitación universal dejaría de funcionar como la conocemos cuando las masas involucradas están a grandes distancias. Sin embargo hay algunas evidencias de que esto no es así. La más clara de estas evidencias tiene que ver con el Cúmulo Bala que se muestra en la fotografía. Se trata de una estructura compuesta en realidad por dos cúmulos galácticos cuyos centros, vistos desde la Tierra, se están ya alejando uno del otro después de haber colisionado. Las zonas en rojo señalan la situación de los gases intergalácticos de cada uno de ellos: al atravesarse mutuamente ambos cúmulos, esos gases habrían sufrido una importante fricción entre sí, aumentado notablemente su temperatura y retrasándose respecto a las galaxias que conforman los cúmulos, que no se habrían visto tan frenadas en la colisión. Las zonas en azul son las que presentan un mayor efecto de lente gravitacional. Según las teorías MOND, sería el gas intergaláctico (que contiene la mayor parte de la materia ordinaria del cúmulo) el responsable de dicho efecto, pero como vemos en este caso no ocurre así y, además, no es posible explicarlo sólo con la masa presente en las galaxias situadas en esas regiones azuladas. La distribución de masa está bien establecida y la existencia de la materia oscura parece fuera de duda.

Lo que sabemos entonces sobre la materia oscura es que interactúa de forma extremadamente débil con la materia ordinaria y con ella misma, que muestra muy poca capacidad de desintegración (o, lo que es lo mismo, presenta una enorme estabilidad) y que no puede estar formada por las partículas de materia ordinaria (es decir, las que se incluyen en el modelo estándar o las que pueden constituirse a partir de ellas).
Así es que queda aún una parte importante para completar la historia: dilucidar cuáles son las partículas que forman la materia oscura. Distintas opciones se han manejado en los últimos años al respecto. Así se ha hablado de Partículas Masivas que Interactúan Débilmente, WIMP por sus siglas en inglés, de neutralinos, que junto con los anteriores aparecen en las teorías de supersimetría, o de axiones. Incluso los neutrinos se han considerado en algún momento como posibles candidatos. Pero, a parte de estos últimos, ninguna de las otras posibles partículas ha sido aún detectada y, por tanto, la cuestión sigue en el alero.
Como podemos imaginar existen distintos experimentos tratando de cazar las partículas de materia oscura. Los experimentos de detección directa son conceptualmente similares a los que permitieron el descubrimiento de los neutrinos en su día, y están basados esencialmente en la observación de núcleos en retroceso tras su interacción con las partículas buscadas. Entre ellos están ANAIS, en el túnel de Canfrac, bajo el macizo pirenaico, o XENONIT, situado en el Gran Sasso (Italia). Otros tratan de detectar las partículas que surgirían después de la aniquilación entre partículas de materia oscura y sus correspondientes antipartículas. Para ello se utilizan detectores como FERMI o AMS, que están instalados en satélites, o como CTA, los nuevos arrays de telescopios Cherenkov que se están construyendo en Canarias y en Chile. Y también está la opción de llegar a producir esas partículas en reacciones del tipo de las que se llevan a cabo en grandes colisionadores como LHC en el CERN.
Y hasta aquí lo que puedo contar … veremos qué nos depara el próximo futuro al respecto.