5
MATÈRIA FOSCA

La gravetat, la més coneguda de les forces de la natura, ens ofereix alhora els millors i els menys compresos fenòmens de la naturalesa. Va caldre la ment de la persona més brillant i més influent del mil·lenni, Isaac Newton, per adonar-nos que la misteriosa «acció a distància» de la gravetat sorgeix dels efectes naturals de cada fragment de matèria, i que la força d’atracció entre dos objectes es pot descriure amb una simple equació algebraica. Va caldre la ment de la persona més brillant i influent del segle passat, Albert Einstein, per demostrar que podem descriure amb més precisió l’acció a distància de la gravetat com una deformació en el teixit de l’espaitemps, produïda per una combinació de matèria i energia. Einstein va demostrar que la teoria de Newton requereix alguna modificació per descriure la gravetat amb precisió —per predir, per exemple, quants raigs de llum s’encorbaran quan passin per un objecte massiu. Malgrat que les equacions d’Einstein són més imaginatives que les de Newton, inclouen perfectament la matèria que hem arribat a conèixer i apreciar. Una matèria que podem veure, tocar, notar, olorar i ocasionalment tastar.

No sabem qui serà el pròxim geni, però de moment hem estat esperant gairebé tot un segle perquè algú ens expliqui per què el gruix de tota la força gravitatòria que hem mesurat a l’univers —aproximadament un vuitanta-cinc per cent— sorgeix de substàncies que altrament no interactuen amb la «nostra» matèria o energia. O potser és que l’excés de gravetat no prové ni de matèria ni d’energia, sinó que emana d’alguna altra cosa conceptual. En qualsevol cas, no en tenim ni idea. Ara per ara, no estem pas més a prop de trobar una resposta que quan aquest problema de massa extraviada va ser analitzat per primera vegada l’any 1937 per l’astrofísic suís nacionalitzat nord-americà Fritz Zwicky. Va ser professor al California Institute of Technology durant més de quaranta anys, combinant les seves extenses idees sobre el cosmos amb una rica manera d’expressar-se i una capacitat impressionant d’enemistar-se amb els seus col·legues.

Zwicky va estudiar el moviment de galàxies individuals dins d’un enorme cúmul de galàxies, situat més enllà de les estrelles de la Via Làctia que perfilen la constel·lació Coma Berenices (els «cabells de Berenice», una reina egípcia de l’antiguitat). El cúmul de Coma, tal com l’anomenem, és un conjunt aïllat i molt poblat de galàxies a uns 300 milions d’anys llum de la Terra. El seu miler de galàxies orbita al voltant del centre del cúmul, i es mou en totes direccions com abelles al voltant d’un rusc. Utilitzant el moviment d’unes quantes dotzenes de galàxies com a indicadors del camp de gravetat que uneix tot el cúmul, Zwicky va descobrir que la seva velocitat mitjana tenia un valor sorprenentment elevat. Com que les forces gravitatòries més grans provoquen velocitats més elevades en els objectes que atreuen, Zwicky va inferir que el cúmul de Coma tenia una massa enorme. Per verificar aquesta estimació, podries avaluar les masses de cada galàxia visible del cúmul. I malgrat que Coma està entre els cúmuls més grans i més massius de l’univers, no conté prou galàxies visibles per justificar les velocitats que Zwicky va observar i mesurar.

Què passa, doncs? Que ens han fallat les lleis de la gravetat? Que se sàpiga no, perquè sens dubte funcionen dins del sistema solar. Newton va demostrar que es pot obtenir la velocitat única que un planeta ha de tenir per seguir una òrbita estable a qualsevol distància del Sol, per tal que no descendeixi cap al Sol o ascendeixi cap a una òrbita més llunyana. Resulta que si poguéssim augmentar la velocitat orbital de la Terra més de l’arrel quadrada de dos (1,4142…) del seu valor actual, el nostre planeta assoliria una «velocitat d’escapament» i marxaria del sistema solar. Podem aplicar aquest mateix raonament a sistemes molt més grans, com la mateixa Via Làctia, en la qual les estrelles es mouen en òrbites que són sensibles a la gravetat de totes les altres estrelles; o en cúmuls de galàxies, on cada galàxia també nota la gravetat de totes les altres galàxies. D’aquesta manera, enmig d’una pàgina de la seva llibreta plena de fórmules, Einstein va escriure una rima (més rimada en alemany que en la versió traduïda) en honor a Isaac Newton:

Quan examinem el cúmul de Coma, tal com va fer Zwicky durant la dècada de 1930, trobem que les seves galàxies es mouen totes més de pressa que la velocitat d’escapament del cúmul. Per tant, el cúmul s’hauria de desintegrar, deixant amb prou feines un rastre de la seva existència com un rusc d’abelles després d’uns centenars de milions d’anys. Però el cúmul té més de deu mil milions d’anys, és a dir, gairebé és tan antic com l’univers mateix. I així neix el misteri no resolt més perllongat de l’astrofísica.

Al llarg de les dècades posteriors a l’obra de Zwicky, altres cúmuls de galàxies van revelar el mateix problema, o sigui que ja no es podia dir que Coma fos peculiar. Així doncs, a qui o a què hem de donar la culpa? A Newton? Jo no ho faria. Encara no. Les seves teories han estat examinades durant 250 anys i han passat totes les proves. A Einstein? No. L’extraordinària gravetat dels cúmuls de galàxies encara no és prou elevada per requerir el lot sencer de la teoria general de la relativitat d’Einstein, que existia des de feia només dues dècades quan Zwicky va fer la seva investigació. Potser la massa extraviada necessària per unir les galàxies del cúmul de Coma existeix, però d’una manera desconeguda i invisible. Actualment, hem decidit posar-li el sobrenom de matèria fosca, que no deixa clar que s’hagi extraviat res, però sí que implica que existeix algun nou tipus de matèria esperant per ser descoberta.

Just quan els astrofísics van acceptar que la matèria fosca en els cúmuls de galàxies era una cosa misteriosa, el problema va tornar a treure el seu cap invisible. El 1976, la difunta Vera Rubin, una astrofísica de la Carnegie Institution de Washington, va descobrir una anomalia de masses similar a dins de les galàxies en espiral mateix. Estudiant les velocitats a les quals les estrelles orbiten al voltant del centre de les seves galàxies, Rubin va descobrir el que s’esperava: dins del disc visible de cada galàxia, les estrelles més allunyades del centre es mouen a una velocitat superior que la de les estrelles més properes. Les estrelles més allunyades tenen més matèria (estrelles i gas) entre elles mateixes i el centre de la galàxia, fet que els permet tenir una velocitat orbital més elevada. No obstant això, més enllà del disc lluminós de la galàxia encara s’hi poden trobar alguns núvols de gas aïllats i unes quantes estrelles brillants. Utilitzant aquests objectes com a indicadors del camp de gravetat extern a les parts més lluminoses de la galàxia, on no hi ha més matèria visible que s’afegeixi al total, Rubin va descobrir que les seves velocitats orbitals, que haurien de disminuir per l’augment de la distància en-aquell-lloc-perdut, es mantenien igualment altes.

Aquests volums d’espai pràcticament buits —les regions rurals apartades de cada galàxia—, contenen molt poca matèria visible per explicar les velocitats orbitals anòmalament elevades dels indicadors. Rubin va raonar correctament que hi ha d’haver alguna forma de matèria fosca en aquestes regions allunyades, molt més enllà de l’extrem visible de cada galàxia en espiral. Gràcies a l’obra de Rubin, ara coneixem aquestes zones misterioses com a halos de matèria fosca.

Aquest problema de l’halo existeix davant dels nostres nassos, aquí mateix, a la Via Làctia. De galàxia a galàxia i de cúmul a cúmul, la diferència entre la massa calculada dels objectes visibles i la massa estimada dels objectes a partir de la gravetat total varia des d’un factor d’uns quants centenars (en alguns casos) fins a un factor de molts centenars. Arreu de l’univers, la diferència mitjana és d’un factor de sis: la matèria fosca còsmica té aproximadament sis vegades la gravetat total de tota la matèria visible.

Altres investigacions han revelat que la matèria fosca no pot consistir en matèria ordinària, que és poc lluminosa o no lluminosa. Aquesta conclusió es basa en dues línies de raonament. Primer, podem eliminar gairebé amb total certesa tots els candidats coneguts plausibles, com els sospitosos en un reconeixement policial. La matèria fosca podria residir en forats negres? No, creiem que hauríem detectat aquests forats negres a partir dels seus efectes gravitatoris en les estrelles properes. Podrien ser núvols foscos? No, absorbirien o bé interactuarien amb la llum de les estrelles del seu darrere, cosa que no fa la matèria fosca genuïna. Podrien ser planetes solitaris, asteroides i cometes interestel·lars (o intergalàctics), que no produeixen llum pròpia? Es fa difícil de creure que l’univers fabriqui sis vegades més de massa en planetes que en estrelles. Això equivaldria a 6 mil Júpiters per cada estrella a la galàxia, o encara pitjor, dos milions de Terres. En el nostre sistema solar, per exemple, tot el que no és el Sol representa menys d’una cinquena part d’un u per cent de la massa del Sol.

L’evidència més directa de l’estranya naturalesa de la matèria fosca prové de la relativa quantitat d’hidrogen i d’heli a l’univers. Juntes, aquestes quantitats proporcionen una empremta còsmica que va deixar l’univers primigeni. Filant més prim, la fusió nuclear durant els primers minuts després del big bang va deixar un nucli d’heli per cada deu nuclis d’hidrogen (que són simplement protons). Els càlculs mostren que si la major part de la matèria fosca hagués intervingut en la fusió nuclear, hi hauria molt més heli en relació amb l’hidrogen a l’univers. A partir d’això podem concloure que la major part de la matèria fosca —i, per tant, la major part de la massa de l’univers— no va participar en la fusió nuclear, cosa que la desqualifica com a matèria ordinària, l’essència de la qual consisteix en una tendència a participar en les forces atòmiques i nuclears que conformen la matèria tal com la coneixem. Observacions detallades del fons còsmic de microones, que permeten una comprovació diferent d’aquesta conclusió, verifiquen el resultat: la matèria fosca i la fusió nuclear no es barregen.

Així doncs, pel que podem suposar, la matèria fosca no consisteix simplement en matèria que resulta que és fosca. És una altra cosa. La matèria fosca exerceix gravetat d’acord amb les mateixes normes que segueix la matèria ordinària, però fa poca cosa més que ens permeti detectar-la. Evidentment, ens hem quedat aturats en aquesta anàlisi perquè, per començar, no sabem què és la matèria fosca. Si tota la massa té gravetat, tota la gravetat té massa? No ho sabem. Potser no li passa res a la matèria, i és la gravetat el que no entenem.

La diferència entre la matèria fosca i la matèria ordinària varia significativament d’un entorn astrofísic a un altre, però és més pronunciada quan es tracta de grans entitats com ara galàxies i cúmuls de galàxies. Per als objectes més petits, com ara llunes i planetes, no hi ha diferència. La gravetat de la superfície terrestre, per exemple, es pot explicar completament mitjançant les coses que tenim a sota els peus. Si tens sobrepès a la Terra, no en donis la culpa a la matèria fosca. La matèria fosca tampoc no té cap mena d’influència en l’òrbita de la Lluna al voltant de la Terra, ni en el moviment dels planetes al voltant del Sol —però tal com ja hem vist, la necessitem per explicar el moviment de les estrelles al voltant del centre de la galàxia.

Existeix un tipus diferent de física gravitatòria que opera a escala galàctica? Segurament no. El més probable és que la matèria fosca consisteixi en una matèria la naturalesa de la qual encara hem de descobrir, i que s’uneix d’una manera més difusa que la matèria ordinària. Altrament, detectaríem la gravetat de fragments concentrats de matèria fosca escampats per l’univers: cometes de matèria fosca, planetes de matèria fosca, galàxies de matèria fosca. Pel que sabem, les coses no són així.

El que sabem és que la matèria que tant hem arribat a apreciar a l’univers —la cosa que forma les estrelles, els planetes i la vida— és només una fina capa de sucre en el pastís còsmic, modestes boies que suren en el vast oceà còsmic fet d’una cosa que no s’assembla a res.

Durant el primer mig milió d’anys després del big bang, una simple picada d’ullet en la vasta història còsmica de 14 mil milions d’anys, la matèria de l’univers ja s’havia començat a fusionar en les taques que es convertirien en cúmuls i supercúmuls de galàxies. Però el cosmos va duplicar la seva mida durant el mig milió d’anys següent, i després ha continuat creixent. Per tant, a l’univers hi havia dos efectes contraposats: la gravetat volia coagular la matèria, però l’expansió volia diluir-la. Si fas els càlculs, ràpidament dedueixes que la gravetat de la matèria ordinària no podia guanyar aquesta batalla tota sola. Necessitava l’ajuda de la matèria fosca, sense la qual viuríem —de fet, no viuríem— en un univers sense estructures: ni cúmuls, ni galàxies, ni estrelles, ni planetes, ni persones.

Quanta gravetat de la matèria fosca necessitava? Sis vegades més que la que proporcionava la matèria ordinària. Precisament la quantitat que mesurem en l’univers. Aquesta anàlisi no ens explica què és la matèria fosca, només que els efectes de la matèria fosca són reals i que, malauradament, no se li pot donar el mèrit a la matèria ordinària.

Per tant, la matèria fosca és el nostre amic-enemic. No tenim ni idea de què és. És una mica molest. Però el necessitem desesperadament en els nostres càlculs per fer una descripció precisa de l’univers. En general, als científics no ens agrada haver de basar els nostres càlculs en conceptes que no entenem, però ho fem si és necessari. I la matèria fosca no és pas el nostre primer escull. Al segle XIX, per exemple, els científics van mesurar la producció d’energia del nostre Sol i van demostrar els seus efectes en les estacions i en el clima, molt abans que ningú sabés que la fusió termonuclear és la responsable d’aquesta energia. En aquell moment, les millors idees incloïen la idea ridícula —vista en retrospectiva— segons la qual el Sol era un tros de carbó cremant. També al segle XIX vam observar estrelles, vam obtenir els seus espectres i les vam classificar molt abans de la introducció de la física quàntica del segle XX, que ens va ajudar a comprendre com i per què aquests espectres tenen l’aspecte que tenen.

Els escèptics incansables podrien comparar la matèria fosca d’avui amb l’hipotètic i ja desaparegut èter que al segle XIX es va proposar com un mitjà ingràvid i transparent que omplia tot l’espai i en el si del qual s’hi propagava la llum. Fins que un famós experiment del 1887, dut a terme per Albert Michelson i Edward Morley a la Universitat Case Western Reserve de Cleveland, va demostrar el contrari, els científics afirmaven que l’èter havia d’existir, malgrat que no hi havia cap prova per demostrar aquesta suposició. Com a ona, es creia que la llum necessitava un mitjà a través del qual pogués propagar la seva energia, tal com el so necessita l’aire o una altra substància per transmetre les seves ones. Però resulta que la llum és ben feliç viatjant a través del buit de l’espai, sense cap mitjà per propagar-se. A diferència de les ones de so, que consisteixen en vibracions de l’aire, es va descobrir que la llum són paquets d’energia que s’autopropaguen sense necessitat de cap mena d’ajuda.

La ignorància referent a la matèria fosca difereix fonamentalment de la ignorància referent a l’èter. L’èter era un paràmetre de substitució per al nostre coneixement incomplet, mentre que l’existència de la matèria fosca no prové d’una simple presumpció sinó dels efectes observats de la seva gravetat sobre la matèria visible. No ens hem inventat la matèria fosca del no-res, sinó que hem inferit la seva existència a partir de fets observats. La matèria fosca és tan real com els nombrosos exoplanetes que hi ha en òrbita al voltant d’estrelles diferents del Sol, descoberts únicament per la seva influència gravitatòria sobre les seves estrelles amfitriones i no pas a través de la mesura directa de la seva llum.

El pitjor que pot passar és que descobrim que la matèria fosca no consisteix en matèria, sinó en alguna altra cosa. Pot ser que estiguem veient els efectes de les forces des d’una altra dimensió? Estem notant la gravetat ordinària de la matèria ordinària que travessa la membrana d’un univers fantasma adjacent al nostre? Si és així, aquest podria ser només un d’un nombre infinit d’universos que formen un multivers. Sona exòtic i increïble. Però és més esbojarrat que els primers suggeriments que la Terra orbita al voltant del Sol? Que el Sol és una dels cent mil milions d’estrelles de la Via Làctia? O que la Via Làctia és només una dels cent mil milions de galàxies de l’univers?

Encara que alguna d’aquestes idees fantàstiques fos certa, cap no canviaria l’encertada invocació de la gravetat de la matèria fosca en les equacions que utilitzem per comprendre la formació i l’evolució de l’univers.

Altres escèptics incansables podrien declarar que «veure és creure», un enfocament de la vida que funciona bé en molts camps, incloent-hi l’enginyeria mecànica, pescar i potser festejar. També va bé, aparentment, per als habitants de Missouri. Però no funciona per a la bona ciència. En la ciència no es tracta només de veure, es tracta de mesurar, preferiblement amb alguna cosa que no siguin els nostres ulls, ja que estan intrínsecament units a tot l’equipatge del cervell. Aquest equipatge sovint és una motxilla plena d’idees preconcebudes, nocions postconcebudes i prejudicis rotunds.

Després d’haver resistit els intents de detectar-la directament des de la Terra durant tres quarts de segle, la matèria fosca continua en joc. Els físics de partícules creuen que la matèria fosca consisteix en un tipus de partícules fantasma no descobertes que interactuen amb la matèria a través de la gravetat, però altrament interactuen amb la matèria o amb la llum només de manera feble, o potser gens. Si t’agrada jugar amb la física, aquesta opció és una bona aposta. Els acceleradors de partícules més grans del món estan intentant fabricar partícules de matèria fosca enmig de restes de col·lisions de partícules. I uns laboratoris dissenyats especialment i amagats sota terra estan intentant detectar partícules de matèria fosca de manera passiva, per si de cas es passegen per l’espai. Una ubicació subterrània protegeix les instal·lacions de manera natural de les partícules còsmiques conegudes que podrien enganyar els detectors com a impostores de matèria fosca.

Malgrat que tot plegat podria ser molt de soroll per no res, la idea d’una partícula de matèria fosca esmunyedissa té un bon precedent. Els neutrins, per exemple, es van predir i finalment es van descobrir, malgrat que interactuen de manera extremament feble amb la matèria ordinària. L’abundant flux de neutrins del Sol —dos neutrins per cada nucli d’heli fusionat d’hidrogen en el nucli termonuclear de la nostra estrella— surten del Sol sense experimentar cap pertorbació per part del Sol, viatgen a través del buit de l’espai gairebé a la velocitat de la llum i passen per la Terra com si no existís. Resultat: nit i dia, cent mil milions de neutrins procedents del Sol passen per cada centímetre quadrat del teu cos, cada segon, sense deixar cap rastre d’interacció amb els àtoms del teu cos. Malgrat que són tan esmunyedissos, els neutrins es poden aturar en circumstàncies especials. I si ets capaç d’aturar una partícula, vol dir que l’has detectat.

Les partícules de matèria fosca es podrien revelar a través d’interaccions similars o, més sorprenentment, es podrien manifestar mitjançant altres forces que no siguin la força nuclear forta, la força nuclear feble i l’electromagnetisme. Aquestes tres, juntament amb la gravetat, formen les quatre forces fabuloses de l’univers, i intervenen en totes les interaccions que es produeixen entre totes les partícules conegudes. O sigui que les opcions són clares. O bé les partícules de matèria fosca han d’esperar que les descobrim i controlem una nova força o tipus de forces a través de les quals interactuen les seves partícules, o bé les partícules de matèria fosca interactuen mitjançant forces normals, però amb una debilitat increïble.

Per tant, els efectes de la matèria fosca són reals. Senzillament, no sabem què és. La matèria fosca no sembla que interactuï a través de la força nuclear forta, de manera que no pot fer nuclis. No s’ha trobat que interactuï a través de la força nuclear feble, una cosa que fins i tot fan els esmunyedissos neutrins. Tampoc sembla que interactuï amb la força electromagnètica, de manera que no fabrica molècules i es concentra en denses boles de matèria fosca. Tampoc absorbeix, emet, reflecteix ni dispersa llum. Tal com sabem des del principi, la matèria fosca exerceix gravetat, a la qual reacciona la matèria ordinària. Però això és tot. Després de tots aquests anys, no hem descobert que faci res més.

Ara per ara, ens hem de conformar a conviure amb la matèria fosca com un amic desconegut i invisible, i invocar-lo on i quan l’univers ens ho requereixi.