Saber qué es la materia oscura sería la clave para entender cómo está estructurado el universo y poder comprender mejor lo que somos y por qué existimos.

 

IMÁGENES: Agencia Espacial Europea (ESA) / Taringa.net

Piense detenidamente en lo que es el universo: un espacio cuasi infinito, al menos sí para nuestra concepción empírica, que en realidad es un “algo” en expansión en medio de la nada. Siguiendo la teoría del Big-Bang, hace más de 13.000 millones de años hubo una concentración de materia inaudita en un punto minúsculo, y de la presión se creó una gran explosión que dio origen a un universo en expansión acelerada. En los primeros instantes nacieron los primeros componentes (como el hidrógeno, la piedra angular de casi todo), y luego, mediante explosiones secundarias de las primeras estrellas, nacieron el resto de materiales, y de las relaciones químicas y físicas de esa explosión, tras un acelerón de segundos en los que apareció casi todo lo que es materia, nacieron las galaxias y los planetas. Una larga cadena de acciones seguidas de reacciones que darían lugar a lo que hoy es el universo.

La narración es casi perfecta, sólo faltaría saber algunos detalles secundarios que podrían alterar la narración, como si es cierto lo del multiverso (vivimos en uno de los muchos universos paralelos posibles), o qué papel real juegan los agujeros negros en el gran entramado. Salvo por un pequeño detalle que nadie parece capaz de explicar: ¿qué es “eso” que compone casi el 80% de toda la materia del universo, que no vemos pero que está ahí y que por su volumen es fundamental para entender todo lo anterior? Los humanos apenas han rasgado un poco la maraña del manual que rige el universo, y hay un muro inmenso que nos hace retroceder como cuando una hormiga se encuentra con nuestro zapato y por su tamaño no es capaz de concebirnos. Y sin embargo, ahí está: no emite ni refleja la luz, no desprende radiación, ni visible ni invisible. No se ve, pero está ahí porque ejerce gravedad sobre las galaxias, especialmente en los cúmulos, como si fuera un “pegamento” o dinamo sideral que moviliza esos cúmulos de materia visible. Más específico: la materia oscura sería como una torta que englobaría a los cúmulos de galaxias, conteniendo multitud de grumos de pequeño tamaño.

Cúmulo de galaxias 

Este agosto se ha sabido que un equipo del Instituto Harvard-Smithsoniano ha detectado firmas de materia oscura en el gas caliente que hay entre cúmulos de galaxias, que se agrupan por racimos, desde docenas de ellas a miles, y el espacio que hay entre ellas no es vacío, sino que es gas a altas temperaturas que concentra material que emana de las propias galaxias. Precisamente durante el análisis de estos materiales, que sólo pueden hallarse mediante rayos X, se toparon con un rastro de origen desconocido, muy particular y que no se esperaban. Puede ser un error, o bien podría ser que por primera vez hayan sido capaces de detectar algo que sólo está ahí por pura coherencia matemática y física. Podría ser que hubieran dado con la descomposición de la materia oscura, los neutrinos estériles, o bien un simple error. Sea como fuere, ese espacio de conexión entre galaxias sería el mejor lugar para buscar materia oscura.

Vamos a intentar reconducir en estos párrafos una explicación somera para que el lector pueda entender qué es la materia oscura y por qué se ha convertido en la gran obsesión de la Física. Lo primero, una definición: materia oscura es la hipotética materia que no emite suficiente radiación electromagnética como para ser detectada por los sensores actuales pero cuya existencia se deduce a partir de los efectos gravitacionales que provoca en la materia “visible” como las estrellas, las galaxias. Podría ser, incluso, la clave que explique por qué existen las galaxias y por qué no se disgregan. Es decir: existe porque interactúa con lo que ya sabemos que existe. Es esa parte del gran mecano universal que funciona a pesar de que no seamos capaces de verla o capturarla.

Observatorio XMM-Newton de Rayos X 

Como dijimos antes, la materia oscura ni absorbe ni emite luz, por lo que no se puede “ver” directamente; el cálculo es que más del 80% de la materia del universo es oscura. No hay que confundir parámetros: el universo se compone de energía y materia, y la materia visible empíricamente (estrellas, rocas, galaxias) apenas son el 0,4% del total, frente al inmenso 80% de materia oscura. El resto es gas. Tiene un papel fundamental en la formación de las estructuras estelares, la evolución de las galaxias y tiene efectos en la anisotropía de la radiación de fondo de microondas en el universo. ¿Y de qué se compone a su vez la materia oscura? Se han propuesto varias ideas, una de ellas es que se conforme a partir de partículas masivas de interacción débil (WIMPs), axiones y neutrinos estériles, que emiten rayos X cuando se desintegran y que podrían dejar un rastro “visible” para nuestra tecnología para ser detectada, como ocurrió recientemente con el Chandra y XMM-Newton.

La materia oscura. Un concepto que vuelve una y otra vez a todas las discusiones, tan desafiante para el entendimiento humano basado en lo empírico como qué hay al otro lado de un agujero negro. La materia oscura es una de las murallas que quedan en pie frente a nosotros, uno de los impedimentos para que por fin la ciencia pueda crear la Teoría del Todo, la Teoría Unificada que lleva siglos buscando, una gran teoría coordinada que pueda unificar el mundo subatómico de partículas infinitamente pequeñas con el gran universo descomunal. Esto es, combinar la mecánica cuántica con la relatividad general: es que ambas teorías, que funcionan por sí solas en sus campos, luego no tienen manera de ser conectadas. Es como si existiera un gran abismo entre ambos mundos, lo cual es absurdo porque todo forma parte de un gran Todo interrelacionado.

Necesitamos, para entender el cosmos y a nosotros mismos, una teoría unificada que pueda aglutinar todas las interacciones físicas de la naturaleza, por qué la materia es como es y por qué las partículas se comportan como lo hacen y qué conexión tienen con el entramado que hace girar a los planetas y todo lo demás. Esto es: un Manual que explique la fuerza gravitatoria, la electromagnética, la nuclear fuerte y la nuclear débil. Ninguna teoría ha sido capaz de explicar el Todo de alguna forma, no hay resultados experimentales. Y una de las barreras para poder crear esa teoría es la materia oscura.

Observatorio Chandra de Rayos X 

La existencia de la materia oscura fue postulada por primera vez por Fritz Zwicky en 1933 de manera indirecta: había algo no visible que influía en las velocidades orbitales de las galaxias en los cúmulos, las lentes gravitacionales de los objetos de fondo así como la distribución del gas caliente en los citados cúmulos. Imaginen que hubiera algo que interactúa con ustedes y que está presente y existe aunque no seamos capaces de verlo. La mejor manera de ejemplarizarlo es un humano en una bicicleta: cuando pedaleamos nos rodea el aire, que está ahí aunque no lo veamos. Cuanto más deprisa nos movemos más resistencia ofrece el aire, sentimos su existencia porque chocamos con él y la masa invisible nos condiciona en nuestro movimiento; incluso, si hubiera viento que soplara en nuestra misma dirección, el aire en movimiento nos impulsaría en lugar de frenarnos. De eso se trata: la materia visible es como el tipo de la bicicleta y la materia oscura el aire que no vemos pero que nos condiciona y está ahí. Evidentemente tiene muchas más connotaciones, perdón para los físicos (recuerden, intentamos comunicar) pero seguro que ya entienden algo mejor el concepto.

Para entender lo limitados que estamos, basta pensar en proporciones. El universo se compone de materia y de energía, y su distribución es muy diferente de lo que nuestros sentidos (diseñados biológicamente para adecuarnos al entorno natural bien ordenadito y comprensible en el que aparecimos como especie) nos inducen a pensar: la estimación es que apenas un 0,4% del universo es “lo que vemos”, es decir, estrellas, galaxias, planetas, meteoros y cometas. ¡Sólo un 0,4%! Otro 3,6% es gas intergaláctico (en ocasiones a altísimas temperaturas y en movimiento); otro 22% es materia oscura (no confundir esta cifra con el total de materia, que es diferente, ya que ese 22% supone más del 80% del todo final de materia), y el resto, 74% es energía oscura. Aquí es donde realmente el ser humano ya choca directamente con la gran sombra de su ignorancia. La existencia de la materia oscura es una auténtica “muleta” para nuestro conocimiento. Más que un problema, que lo es porque no lo entendemos (todavía), es una solución a muchos interrogantes derivados de la Teoría del Big Bang.

Si resolviéramos qué es podría explicar mejor toda esa idea de la creación explosiva del universo y su expansión. Aquí es donde realmente es vital: el universo se expande y su destino viene determinado por el papel que jugaría la materia oscura en ese movimiento, que funcionaría como un freno a esa expansión. Si lo que hoy se concibe como materia oscura es cierto, podría ser que en función de la cantidad de ella que haya realmente el universo alcanzaría un límite de expansión y podría iniciar el movimiento inverso o Big Crunch por el que se contraería hasta regresar a un punto de acumulación y condensación tal que generaría, a su vez, otro Big Bang… y así sucesivamente. Es una teoría muy discutida: habría otra solución, y es que en realidad el universo se está acelerando. En toda explosión hay una fase de pérdida de fuerza tras el estallido inicial. Sin embargo nuestro universo no sólo crece, sino que acelera por la existencia de esa otra cosa perturbadora, la energía oscura.

Evolución del Universo (NASA / WMAP) 

Antimateria

A la hora de hablar de materia oscura se generan equívocos con otros conceptos como energía oscura o antimateria. La antimateria es una forma de materia constituida por antipartículas que se contrapone a la materia común. Por cada partícula hay una antipartícula, y por extensión a la materia se le contrapone la antimateria. Así, antiprotones (carga negativa en lugar de positiva) y antielectrones (o positrones, es decir, electrones con carga positiva) conforman la antimateria, que al interactuar con la materia produce una aniquilación mutua y transformación en fotones de alta energía que produce rayos gamma. Inicialmente, según la teoría del origen del universo, existía la misma cantidad de materia y antimateria, pero lentamente se invirtió la proporción a favor de la materia (proceso llamado bariogénesis).

El por qué de este proceso es desconocido, se barajan muchas opciones y una de ellas nos devuelve a la materia oscura, porque quizás la interacción de ésta con la antimateria es diferente y desniveló la balanza a favor de la materia. Por otro lado, podría ser que existiesen en el universo zonas repletas de antimateria que se organizarían, pero es una teoría minoritaria y muy discutible. No hay forma de distinguir por observación la materia de la antimateria a largas distancias (esto es, en el universo) porque se comportan de la misma forma de manera independiente a su naturaleza. Además, no puede ser contenida. Si quisiéramos atrapar una cantidad de antimateria no lo conseguiríamos: al reaccionar con la materia sería imposible encapsularla. Sólo a través de las llamadas “trampas” puede hacerse: con una trampa iónica en el caso de que la antimateria tenga carga y con una trampa atómica si no está cargada.

Señal de posible antimateria en Perseo

En el CERN, el mayor centro físico del mundo, lograron “atrapar” antihidrógeno (el equivalente negativo al elemento más numeroso en el universo) durante 17 minutos. Producir antimateria, además, es lo más caro imaginable: cada miligramo cuesta 62.500 millones de dólares, eso de coste estimado y apenas puede almacenarse temporalmente el 1% del total generado porque, entre otras cosas, al sólo poder ser atrapado por campos electromagnéticos, su coste de mantenimiento sería inmenso. Así que vayan olvidándose de los “cañones de antimateria” con los que algunos han fantaseado. Aún así los positrones (partículas de antimateria) son útiles, por ejemplo, para la tomografía vinculada a la oncología, pero sólo desde un punto de vista teórico. Y por supuesto como combustible espacial: al aniquilarse mutualmente materia y antimateria generan fotones, y el potencial de esta energía por antimateria es miles de millones mayor que los hidrocarburos o la nuclear.

Energía oscura

Si hay un concepto complejo todavía más intrincado que el de la materia oscura, y relacionado íntimamente con ésta, esa es la energía oscura, una constante cosmológica que es responsable posible de la aceleración de la expansión del universo, ya que podría tener un comportamiento “repulsivo” (interactuaría con la materia repeliéndola y así expandiendo el universo). Es otro “concepto muleta” para intentar explicar por qué el universo no para de expandirse, y de hacerlo cada vez más rápido. Y también para corregir la edad del universo: se calculaba que eran 10.000 millones de años, pero la edad de las estrellas más viejas encontradas hasta hora supera esa cifra, lo que supone una paradoja (¿cómo es posible que haya estrellas más viejas que el propio inicio del universo?). Resultado: algo acelera el universo. Y ese algo es la energía oscura. Nueva edad: 13.700 millones de años para “cuadre”.

La energía oscura representaría casi el 75% de todo el binomio energía-materia en el universo (un 21% del total es materia oscura, en torno al 3,5% es gas y el resto, menos de un 0,5%, es materia visible). Energía oscura y materia oscura NO son lo mismo: la primera es una campo que ocupa todo el universo y la segunda es sólo una parte del mismo. Fue en 1998 cuando un experimento del Laboratorio Nacional Lawrence Berkekey y el High-Z Supernova Search Team dio como resultado una posible aceleración del universo, un aspecto confirmado posteriormente con más experimentos. La energía oscura sería responsable, y no sólo es, sino que permitiría que la suma de energía y materia del universo fuera correcta. Su cantidad se deduce de la densidad crítica posible en el universo, que presupone que sólo un 30% del total puede ser masa bariónica (visible, ya sea gas o sólida) y materia oscura, así que para que cuadre tiene que haber una energía oscura que no somos capaces de entender. Hay algo, es obvio, y ese algo incide en el universo. Tampoco se sabe bien cual es la naturaleza de esta energía.

Estructura simulada de las galaxias 

Estructura aproximada del Universo