47 La materia oscura
La denominación materia oscura suena exótica y quizá lo sea, pero su definición es bastante realista. La mayoría de las cosas que vemos en el universo brillan porque irradian o reflejan luz. Las estrellas centellean produciendo fotones en grandes cantidades, y los planetas brillan reflejando la luz solar. Sin esa luz, sencillamente no los veríamos. Cuando la luna pasa por la sombra de la Tierra es oscura; cuando las estrellas se extinguen dejan rastros demasiado tenues para ser vistos; incluso un planeta tan grande como Júpiter sería invisible si vagara libremente lejos del Sol. Así que quizá no es tan sorprendente que gran parte de la materia del universo no brille. Es la materia oscura.
El lado oscuro Aunque no podemos ver directamente la materia oscura, podemos detectar su masa a través de su atracción gravitatoria sobre otros objetos astronómicos y también sobre los rayos de luz. Si no supiéramos que la Luna está ahí, todavía podríamos inferir su presencia debido a la atracción de su gravedad y al ligero cambio en la órbita terrestre. Incluso hemos utilizado un temblor inducido por la gravedad aplicado a una estrella progenitora para descubrir planetas alrededor de estrellas lejanas.
En los años treinta, el astrónomo suizo Fritz Zwicky observó que un cúmulo gigante de galaxias cercanas se comportaba como si su masa fuera mucho mayor que el peso de todas las estrellas de las galaxias que contenía. Dedujo que la materia total del cúmulo se justificaba en parte como materia luminosa, estrellas brillantes y gas caliente, y otra parte, que suponía 400 veces la suma de todo lo anterior, a través de cierta materia oscura desconocida. Esta increíble proporción era toda una sorpresa, que implicaba que la mayor parte del universo no estaba formada por estrellas y gas, sino por otra cosa. ¿Qué era esa cosa oscura? ¿Y dónde se escondía?
Distribución de la energía
Hoy en día sabemos que aproximadamente sólo el 4% de la materia del universo está formada por bariones (materia normal que comprende protones y neutrones). Otro 23% es materia oscura exótica. Sabemos que no está formada por bariones. Es difícil decir de qué está compuesta, pero podrían ser partículas como los WIMP. El resto de la distribución energética del universo consiste en algo totalmente diferente: energía oscura.
La masa también está ausente de las galaxias individuales espirales. El gas de las regiones más externas gira más rápido de lo debido si la galaxia es tan pesada como la masa total de todas las estrellas que contiene. De modo que, si nos fijamos sólo en la luz, estas galaxias son más masivas de lo esperado. De nuevo, la materia oscura extra tiene que ser cientos de veces más abundante que las estrellas y el gas visibles. La materia oscura no sólo se extiende por todas las galaxias, sino que su masa es tan grande que domina el movimiento de todas las estrellas que alberga en su interior. Es más, la materia oscura se extiende incluso más allá de las estrellas, llenando un «halo» esférico o burbuja alrededor del disco aplanado de cada galaxia espiral.
Aumento de peso En la actualidad, los astrónomos han dibujado un mapa de la materia oscura, no sólo en las galaxias individuales, sino también en cúmulos de galaxias, que contienen miles de galaxias unidas por su mutua gravedad, y supercúmulos de galaxias, cadenas de cúmulos en una vasta red que se extiende por todo el espacio. La materia oscura aparece siempre que actúa la gravedad a cualquier escala. Si sumamos toda la materia oscura, descubriremos que hay miles de veces más materia oscura que materia luminosa.
El destino de todo el universo depende de su peso global. La atracción de la gravedad contrarresta la expansión del universo después de la explosión del big bang. Hay tres desenlaces posibles. En primer lugar, el universo es tan pesado que gana la gravedad y finalmente se colapsa sobre sí mismo (un universo cerrado que termina con un gran crujido). En segundo lugar, la materia es demasiado escasa y se expande para siempre (un universo abierto). En tercer lugar, el universo está equilibrado con precisión y la expansión se reduce gradualmente por la acción de la gravedad, pero durante un tiempo tan prolongado que no cesa jamás. Esta última parece la situación más deseable para nuestro universo: tiene precisamente la cantidad adecuada de materia para ralentizar la expansión, aunque sin llegar a detenerla jamás.
WIMP y MACHO ¿De qué está compuesta la materia oscura? En primer lugar, podrían ser nubes oscuras de gas, débiles estrellas o planetas sin luz. Éstos se denominan MACHO o MAssive Compact Halo Objects (objetos astrofísicos masivos de halo compacto). La materia oscura también podría estar compuesta por nuevas clases de partículas subatómicas, llamadas WIMP, el acrónimo de Weakly Interacting Massive Particles (partículas masivas de interacción débil), las cuales no tendrían prácticamente ningún efecto sobre el resto de la materia o la luz.
Los astrónomos han detectado MACHO vagando por nuestra propia galaxia. Como los MACHO son muy grandes, similares al planeta Júpiter, pueden observarse individualmente a través de su efecto gravitatorio. Si un gran planeta gaseoso o una estrella fallida pasa frente a una estrella de fondo, su gravedad curva la luz de la estrella a su alrededor. La curvatura centra la luz cuando el MACHO está justo delante de la estrella, de modo que la estrella parece mucho más luminosa durante el instante en que pasa. Este fenómeno se denomina «lente gravitatoria».
En términos de la teoría de la relatividad, el planeta MACHO distorsiona el espacio-tiempo, como una pelota pesada que deprime la hoja de goma, la cual curva el frente de onda de la luz a su alrededor (véase Capítulo 41). Los astrónomos han buscado esta luminosidad de las estrellas producidas por el paso en primer plano de un MACHO frente a millones de estrellas en el fondo. Han detectado unos cuantos destellos de estas características, pero demasiado pocos para explicar toda la masa ausente de la Vía Láctea.
«El universo está compuesto principalmente de materia oscura y energía oscura, y no sabemos qué son ninguna de las dos.»
Saul Perlmutter, 1999
Los MACHO están formados por materia normal o bariones, compuestos de protones, neutrones y electrones. El límite último de la cantidad de bariones del universo viene dado por el análisis del isótopo del hidrógeno pesado, el deuterio. El deuterio sólo se produjo en el propio big bang, y después ya no ha sido formado por las estrellas, aunque puede arder en su interior. Por lo tanto, al medir la cantidad de deuterio en las nubes inmaculadas de gas en el espacio, los astrónomos pueden estimar el número total de protones y neutrones que se formaron en el big bang porque el mecanismo para fabricar deuterio se conoce con detalle. Esto resulta ser sólo un pequeño porcentaje de la masa del universo entero. Así que el resto del universo tiene que existir de una forma radicalmente diferente, como los WIMP.
La búsqueda de WIMP es actualmente el centro de atención. Como actúan débilmente, estas partículas son intrínsecamente difíciles de detectar. Un candidato es el neutrino. En la última década, los físicos han medido su masa y han descubierto que puede ser diminuta, aunque no cero. Los neutrinos componen una parte de la masa del universo, pero desde luego no toda. Así es que aún queda sitio para otras partículas exóticas que aguardan a ser descubiertas, algunas nuevas para la física, como los axiones y los fotinos. Llegar a comprender la materia oscura podría arrojar nueva luz sobre el mundo de la física.
Cronología:
1933 d. C.: Zwicky mide la materia oscura en el cúmulo de Coma.
1975 d. C.: Vera Rubin muestra que la rotación de las galaxias está afectada por la materia oscura.
1998 d. C.: Se deduce que los neutrinos tienen una masa minúscula.
2000 d. C.: Se detectan los MACHO en la Vía Láctea.
La idea en síntesis: el lado oscuro del universo