En busca de la materia oscura (I) Iniciamos con este artículo una serie dedicada a uno de los temas más intrigantes de la Astrofísica: la mayor parte de la materia del Universo (cerca de un 80%) nos es desconocida. Recibe el nombre de materia oscura. En esta primera entrega enumeramos algunas de las evidencias observacionales de su existencia. Quién no ha oído hablar de la materia oscura? Está considerado uno de los mayores enigmas de la Cosmología hoy en día. Se trata de un enigma enrevesado, porque ni siquiera está claro que sea materia ni que sea oscura, como veremos a lo largo de esta serie. El concepto de materia oscura fue propuesto como posible solución a un hecho observacional desconcertante: en el Universo parece haber mucha más materia de la que se infiere sumando la masa de las estrellas, el gas y el polvo, que se encuentran en el interior de las galaxias, más la masa del gas intergaláctico. Es decir, el peso del Universo parece ser mayor del que se obtiene sumando toda la materia que es capaz de emitir o interactuar con la luz (las citadas estrellas con sus sistemas planetarios, el gas y el polvo). Pero cómo se puede pesar la masa del Universo? Cómo podemos saber que dicha masa es mayor que la masa de los objetos que son capaces de emitir o de absorber luz, para los que reservamos el anodino nombre de materia ordinaria? El descubrimiento de la materia oscura tuvo un célebre pionero: un excéntrico genio llamado Fritz Zwicky. Zwicky fue el primer científico que usó el término supernova o estrella de neutrones. Trabajando en los años 30 con agrupaciones de galaxias, conocidas como cúmulos, se percató de un hecho curioso al aplicar la Mecánica Clásica a los mismos.
Cúmulo de Coma, el cual sirvió a Zwicky para encontrar las primeras evidencias de materia oscura En un cúmulo las galaxias giran en torno al centro de su propia distribución de masa, sometidas a la interacción gravitatoria, de tal manera que la velocidad de las galaxias que giran en la órbita más externa, o galaxias del borde, está relacionada con la masa total del cúmulo, encerrada dentro de esa órbita externa. Estimando la masa total de las galaxias del cúmulo, suponiendo que dicha masa es proporcional al brillo total de las galaxias, Zwicky halló la cantidad de materia contenida dentro del cúmulo Coma. Para su sorpresa, dicha masa era mucho menor de la necesaria para imprimirles a las galaxias de la parte exterior las velocidades con las que estas se movían. Su conclusión es que había mucha más masa de la que realmente veíamos en el cúmulo. La mayor parte de la materia del cúmulo no emitía luz. Zwicky llamó materia oscura a esta enigmática forma de materia. Desde entonces el número de desconcertantes evidencias de su existencia, realizando este sutil balance entre materia visible o luminosa y materia cuyo indicio es sólo debido a la influencia gravitacional, o por otros medios, no ha dejado de crecer. Veamos algunas más. La curva de rotación de las galaxias espirales. Se sabe que las estrellas situadas en las regiones externas de las galaxias deberían girar en torno al centro con una velocidad mucho menor que las estrellas de las regiones más internas, siguiendo un comportamiento análogo al de los planetas (movimiento kepleriano), ya que cuanto más lejos están dichas estrellas del centro de la galaxia, menor es la atracción gravitatoria, tal y como sucede en el caso de los planetas con respecto al Sol. Sin embargo se observa que al aumentar la distancia de las estrellas con respecto al centro galáctico su velocidad aumenta, tal y como muestran las llamadas curvas de rotación de las galaxias:
Curva de rotación de una galaxia. La velocidad de las estrellas más externas debería disminuir, según la línea punteada ; sin embargo aumenta. Este resultado es muy difícil de explicar si no se considera la existencia de grandes cantidades de materia oscura en las regiones externas de la galaxia, de tal manera que al alejarnos de la región donde hay materia visible, se va incrementando también la cantidad de materia oscura encerrada por una órbita estelar alrededor del centro, con lo cual la velocidad con la que se mueven las estrellas aumenta. El comportamiento del gas en los cúmulos de galaxias. Gracias a la emisión de rayos X del gas contenido entre las galaxias de los cúmulos, es posible calcular su temperatura. Como la temperatura del gas está relacionada con la velocidad media de las moléculas del gas, es posible calcular la velocidad y la masa total necesaria para producir dicha velocidad y comparar esta última con la masa calculada a partir de la intensidad de rayos X que se registran, es decir la masa de materia ordinaria o que emite luz (en este caso rayos X). Esta masa es mucho menor, casi en un orden de magnitud, que la necesaria para hacer que el gas se mueva a esas velocidades. Esto indica de nuevo que en las grandes agrupaciones de galaxias predomina, la misteriosa materia de la que nos ocupamos. Cúmulos de galaxias en colisión. Para terminar, una imagen apasionante. Vamos a ver la colisión de dos cúmulos de galaxias. La observaremos en rayos X, en el visible y con la ayuda de lentes gravitatorias: deformaciones del espacio-tiempo debidas a la gigantesca masa de los cúmulos, que distorsionan las imágenes, pues producen curvaturas de los rayos de luz. Lo que vemos son grandes conjuntos de galaxias que están colisionando en una región del espacio, el llamado cúmulo de la bala. En el centro se muestra, con falso color rojizo, la emisión de rayos X del gas de los cúmulos. Se advierte que este se queda en la zona central, debido a que experimenta un frenado causado por la interacción electromagnética. El gas suele estar ionizado (formado por átomos que han adquirido carga eléctrica al perder uno o más electrones) y por tanto la fusión de grandes masas de gases tiende a estar impedida por la repulsión electromagnética. Sin embargo, podemos advertir que las distorsiones de lente gravitatoria (marcadas en azul), indicadoras de la mayor concentración de masa y de una gran concentración de materia oscura, se encuentran en las partes exteriores, como si hubieran atravesado a través de las galaxias del
cluster y se hubieran atravesado entre ellas, fantasmalmente. Esta es una propiedad de la materia oscura relacionada con su nula (o prácticamente nula) interacción con la luz: no interactúa mediante fuerzas electromagnéticas, por tanto no se ioniza y no sufre repulsión electromagnética. Por otra parte, no interacciona mediante ninguna de las dos interacciones nucleares, sino muy débilmente (según la mayor parte de las teorías que intentan explicar su naturaleza). La materia oscura sólo interactúa mediante la interacción gravitatoria. En el próximo artículo de la serie, mencionaremos evidencias más cosmológicas de la materia oscura y empezaremos a examinar algunas hipótesis sobre qué es exactamente. Impresionante imagen de la colisión de dos cúmulos de galaxias, cúmulo de la bala. En azul, las perturbaciones de lente gravitatoria que produce la materia oscura.
Adrián Ayala Gómez es licenciado en Física por la universidad de Sevilla. Desde 2013 pertenece al departamento de Física Teórica y del Cosmos de la Universidad de Granada, donde realiza la tesis doctoral sobre Astrofísica. Su investigación se centra en evolución estelar de estrellas de baja masa y su relación con partículas más allá del modelo standard.