«La materia oscura» o una cuestión de peso para el Dark Side

En una reciente tertulia un amigo se preguntaba sobre qué era eso de la materia oscura («dark matter» en la lengua de «Chaquespeare»). Eso hizo que sacara mi vena de profesor Plómez e hiciera uso de todos mis conocimientos sobre el tema (obtenida a partir de largas lecturas de Wikipedia y etiquetas de Vodka…) para intentar explicar de manera lo menos soporífera el tema en cuestión. Una cosa llevó a la otra y pensé en por qué no compartirlo con nuestros queridos lectores de SidesOut. Espero sea de su agrado.

El mundo es peor desde que no tenemos «el mundo de Beakman» en TV.

Antes de nada, lo más importante: quien diga con seguridad qué es la materia oscura (o incluso si realmente existe) MIENTE. Antes de nada debería ir a recoger el Nobel de Física y esperar un tiempo prudencial tras la juerga en Oslo.

Vaya fiestas se montan los científicos estos…

Y lo digo porque la materia oscura es una sustancia hipotética que surge de analizar el movimiento de estrellas y galaxias. Presentemos la cuestión. ¿Qué es lo que sabemos?

1. Es relativamente sencillo con los mecanismos actuales observar el movimiento de las estrellas que componen las galaxias. Igualmente se pueden estudiar los movimientos relativos entre galaxias y cúmulos de estrellas vecinos.

2. El brillo de las galaxias/estrellas es medible y a partir de éste puede aproximarse su masa.

3. Existe una serie de modelos (ecuaciones) del movimiento de cuerpos celestes (bien conocidos desde Newton) que basándose en la masa y en la posición relativa de los objetos celestes permite predecir su velocidad y trayectoria.

Con esta información es lógico suponer que los movimientos observados en estrellas y galaxias (1) deberían ajustarse a su masa (2) dada las fuerzas de gravedad y cinética (3).

La ciencia no existiría sin los diagramas...

En nuestro Sistema Solar estos análisis funcionan correctamente y los movimientos de los planetas se ajustan adecuadamente a los modelos. Por ejemplo, conociendo la órbita que describe la Tierra y la masa del Sol es posible determinar cuál es su velocidad de giro para que dicha órbita sea estable: la fuerza de gravedad que «tira» de la Tierra hacia el Sol debe igualar la fuerza centrífuga que tiende a separarlos. Si la Tierra girara de manera más rápida se iría alejando del Sol, mientras que si fuera más lenta acabaría siendo arrastrada hacia él.

No te vayas de mi lado, cariño mío.

En el caso de las estrellas, los cálculos son algo más complejos al tenerse en cuenta que las estrellas giran en torno a conjuntos de otras estrellas y no alrededor de un cuerpo único (además de otras muchas componentes), pero los principios son esencialmente los mismos.

Y, sin embargo, en el movimiento de las estrellas en las galaxias y la interacción entre éstas algo falla: el movimiento observado no se ajusta al que deberían tener dada su masa. Especialmente las estrellas se desplazan demasiado rápido alrededor del centro de sus galaxias – lo que se conoce como el problema de rotación galáctica. Al alejarse del centro, la fuerza gravitatoria que «tira» de ellas debería disminuir y por tanto su velocidad «estable» (aquella que iguala a la fuerza de gravedad) debería ir disminuyendo. Sin embargo se observa cómo dicha velocidad se mantiene constante e incluso aumenta.

Algunas estrellas se mueven demasiado rápido.

Igualmente la interacción entre galaxias muestra unas fuerzas superiores a las esperadas y, para que estos movimientos fueran correctos, las galaxias deberían tener una masa mucho más elevada (en algunos casos decenas de veces superior a la que podemos «ver»).

¿Quién es el culpable?

En principio tenemos observaciones de brillo estelar bastante fiables, una aproximación de su masa a priori adecuada y un modelo con cerca de tres siglos de vigencia. Pero los hechos no concuerdan. ¿Qué hacemos?

Pues buscar hipótesis, y hay unas cuantas versiones «aburridas» para justificar el problema:

• Que esos efectos se deban simplemente a que los cálculos de masa a partir del brillo sean erróneos (poco probable),

• Que se deba a que la ley de gravitación universal o las del movimiento no siguen las ecuaciones que conocemos cuando se trata de enormes distancias o masas (idea bastante terrorífica de por sí y donde no parece que ningún modelo de ecuaciones «nuevas» termine de ajustarse a las observaciones),

• Que pasemos por alto una hiperabundancia de gas interestelar o de agujeros negros supermasivos (los cuales son muy difíciles de detectar pero deberíamos haber intuido).

• Que no estemos teniendo en cuenta el material distante que rodea las galaxias y que podría consistir en materia «normal» no oscura que no brilla (por ejemplo, gas interestelar) y por tanto no observable (teoría tampoco aceptada  en la actualidad) [5].

Sin embargo hay otra opción que, aunque bizarra, parece ser la que más convence a los científicos («que se joda la navaja de Occam»): la Materia Oscura (dígase con voz tenebrosa). Así, nuestro universo estaría atestado de este tipo hipotético de materia que interaccionaría con lo que lo rodea gravitacionalmente (tiene masa) pero no electromagnéticamente.

Dicho de otra manera, si consideramos el hecho de «reaccionar» hacia una determinada fuerza como una característica propia de algunas partículas, los hipotéticos componentes de la materia oscura tendrían una naturaleza gravitatoria pero no electromagnética. Dado que la luz es radiación electromagnética, ésta simplemente no interaccionaría con la materia oscura. Explicado burdamente, la luz atravesaría estas partículas sin reflejarse (y sin ser tampoco absorbida), con lo que esta materia no podría verse ni aunque la tuviéramos delante.

«Dado que la luz es radiación electromagnética, ésta simplemente no interaccionaría con la materia oscura, con lo que esta materia no podría verse»

Por culpa de esto, es muy difícil realmente medir/observar la materia oscura, por lo que su existencia no ha sido confirmada aún, aunque el análisis de otros fenómenos astronómicos y algunos experimentos en proceso parecen apuntar a que, como las meigas, «haberlas haylas» [1][4][7].

En general, el concepto de materia oscura estremece al más pintado, pues supone que la mayor parte del universo (más del 80% de toda la materia) es invisible y sólo «intuible» por sus efectos gravitacionales. De hecho, es invisible no sólo para nuestros ojos, sino para la mayoría de nuestros instrumentos de observación habituales: cámaras, telescopios, etc. Podríamos tener delante nuestro un objeto inmenso de materia oscura y simplemente no lo veríamos (!).

¿Y qué nos impide chocar con un enorme planeta invisible? Hasta donde conocemos, la materia oscura se concentra especialmente en la periferia de las galaxias (la nuestra incluida) en forma de halos invisibles y gigantescos que dan coherencia gravitatoria a todo el sistema, pero que están formados esencialmente por partículas subatómicas, con lo cual no deberían suponer un peligro de «impacto» para nuestro planeta.

En rojo las concentraciones de materia oscura más probables alrededor de nuestra galaxia formando dos halos alrededor de la misma.

Sin embargo, se abren nuevos estudios que incluso plantean la existencia de una posible química de la materia oscura y objetos más complejos [6]. ¿Habrá mundos y seres completamente invisibles para nosotros pululando por la galaxia? ¿Seremos capaces de diseñar mecanismos que nos permitan discernir este tipo de materia de manera eficiente? ¿Arrojarán los estudios futuros una demostración clara de la existencia de esta materia o habrá alguna justificación diferente al extraño comportamiento galáctico? ¿Me darán el Nobel si soy capaz de mantener un lápiz en equilibrio sobre mi nariz durante 5 días? ¿Y si consigo hacer biocombustible a partir de cerumen?

¡Éstas y otras preguntas en la próximas columnas de ciencia de SidesOut!

¡Ayúdanos a publicar el artículo en Menéame! https://www.meneame.net/story/materia-oscura-cuestion-peso-dark-side

Referencias:

[1] 4 cosas que quizá no sepas sobre la materia oscura: http://www.symmetrymagazine.org/article/december-2013/four-things-you-might-not-know-about-dark-matter

[2] Materia Oscura, taller de astronomía: http://astroverada.com/taller/Materia_oscura.pdf

[3] ¿Qué es la energía oscura?: http://science.nasa.gov/astrophysics/focus-areas/what-is-dark-energy/

[4] Aniquilación de materia oscura: http://profmattstrassler.com/articles-and-posts/relativity-space-astronomy-and-cosmology/dark-matter/dark-matter-annihilation/

[5] ¿Puede que la materia oscura no importe? – sobre la posibilidad de que el problema de rotación galáctica se deba al material distante de las galaxias: http://phys.org/news/2011-12-dark.html

[6] Sobre las posibilidades de átomos oscuros e incluso una química de los mismos: http://www.space.com/21508-dark-matter-atoms-disks.html

[7] ¿Qué es la materia oscura?¿Acabamos de detectarla por primera vez?: http://www.principiamarsupia.com/2014/10/20/que-es-la-materia-oscura-acabamos-de-detectarla-por-primera-vez/