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Enciclopedia de la ignorancia – La Materia Oscura

Posted by Jordi Guzman en 26 enero 2010


Un muy interesante capitulo del libro Enciclopedia de la ignorancia escrito por  Kathrin Passig y Aleks Scholz y que editó Destino en 2008 con traducción de Carlos Andreu y Mercedes García Garmilla. Un libro dedicado a cuestiones a las que por ahora la ciencia no ha encontrado una explicación satisfactoria. Hace unas semanas le dediqué otro post.

Materia oscura

Un kilo de materia oscura pesa más de diez tone­ladas.

Profesor Farnsworth

Futurama

Sólo una pequeña fracción de la materia del universo es visible. El resto, y no nos referimos a las cosas que han desa­parecido bajo la cama, se conoce como materia oscura. En to­tal es más lo invisible que lo visible que hay en el universo: entre cinco y diez veces más. Lo que no está claro por ahora es a qué nos referimos al hablar de lo invisible.

Se sabe de la existencia de la materia invisible porque ésta se percibe de forma indirecta a causa de su masa: las masas se atraen entre sí, según afirma con razón la ley de la gravitación universal, y por eso la materia oscura influye a través de la fuerza gravitatoria en el movimiento de objetos visibles, como las estrellas, que por el contrario es observa­ble. Una parte esencial del trabajo de los astrónomos es ocu­parse de lo invisible. Cuando se observa con exactitud lo que sucede en el cielo, a menudo sucede que el movimiento de los cuerpos celestes sólo se puede explicar si se supone la pre­sencia de otros cuerpos celestes que permanecen en la oscu­ridad, ya sea porque son verdaderamente invisibles (como los agujeros negros) o porque tienen un brillo demasiado dé­bil para poder ser observados con los telescopios existentes. A medida que los telescopios se vuelven más potentes, son más los cuerpos «invisibles» que se vuelven de repente visi­bles. En 1844, Friedrich Wilhelm Bessel, a partir de los mo­vimientos de la brillante estrella Sirio, dedujo que ésta tenía un acompañante invisible que giraba en torno a ella. Pasa­ron dieciséis años hasta que Alvan G. Clark, provisto de un telescopio de mayor potencia, pudo ver una acompañante de brillo extraordinariamente débil: Sirio B se hizo famosa en­seguida, porque se trataba de un cadáver estelar caliente; pertenecía a una clase de objetos que posteriormente recibi­rían el nombre de «enanas blancas». Como en el caso de Si­rio B, en los últimos diez años se han hallado más de cien planetas situados fuera de nuestro sistema solar, y estos ha­llazgos se han realizado de manera indirecta, a través de la fuerza gravitatoria ejercida por estos cuerpos: es imposible verlos, pero atraen y arrastran a sus propios soles con tanta fuerza que los hacen agitarse un poco hacia aquí y hacia allá. Es esta agitación la que nos permite encontrar mundos des­conocidos que con nuestras técnicas actuales son invisibles. Lo que realmente es misterioso en relación con la materia os­cura no es su presencia, sino lo sorprendentemente grande que es la cantidad de esta materia.

El primero que afirmó esto fue el astrónomo suizo Fritz Zwicky en el año 1933. Observó los movimientos de las ga­laxias en la constelación Coma Berenice, una zona del cielo que está plagada de estas agrupaciones de estrellas. Las foto­grafías de esta región del espacio muestran una apreciable cantidad de manchas de niebla, que al ser observadas más de cerca (con telescopios más potentes), se ven como galaxias, como muchos miles de vías lácteas, que se componen a su vez cada una de ellas de muchos millones de estrellas, una visión que pone de manifiesto que el universo está empeñado en ha­cer que nos sintamos poca cosa. Zwicky descubrió que las ga­laxias existentes en este hormiguero se movían con dema­siada rapidez: la masa de la materia visible no es ni de lejos suficiente para mantener unidos esos montones de galaxias. En realidad tendrían que haberse disgregado hace miles de millones de años, con lo que ya no podríamos verlas actual­mente. Tiene que haber una especie de «pegamento» adicio­nal, la fuerza gravitatoria de la materia oscura, que evite que las galaxias se disgreguen. Aunque Zwicky lo formuló de una manera bastante más complicada, sus conocimientos fueron ampliamente ignorados. De nuevo hubo que esperar, esta vez casi cuarenta años, para que la existencia de la materia os­cura se aceptara de forma generalizada, pero, una vez que se dio esta aceptación, son miles los astrónomos que se han ocu­pado de esta cuestión día y noche, sobre todo de noche.

La gran brecha que abrió el descubrimiento de la materia oscura tuvo su origen en la investigación de la rotación de las galaxias. Del mismo modo que los planetas giran en torno al Sol, las estrellas de una galaxia se mueven en torno al centro de la misma. El Sol, por ejemplo, lo hace con una velocidad aterradoramente alta de unos 250 km/s. Al mismo tiempo, por una parte, experimenta la atracción que ejerce sobre él el cen­tro de la Vía Láctea mediante la fuerza gravitatoria. Por otra parte, la rotación en torno a ese centro genera la fuerza cen­trífuga, que es una fuerza dirigida hacia fuera, cuya existencia podemos percibir sencillamente cuando vamos en coche y to­mamos una curva a gran velocidad. En conjunto, la acción si­multánea de la fuerza centrífuga y la fuerza gravitatoria hace que el Sol no caiga hacia el interior de la galaxia, ni vuele ha­cia fuera, sino que se mueva dócilmente alrededor del centro, con una velocidad que viene determinada únicamente por la distribución de la materia en la Vía Láctea. Por lo tanto, a par­tir de la velocidad de la materia visible pueden sacarse con­clusiones sobre la cantidad de masa que hay dentro de la ga­laxia y sobre el lugar en que esta masa se encuentra. Gracias a este análisis, a principios de la década de 1970 se llegó a una conclusión deprimente: los objetos que están en las zonas más externas de las galaxias, y esto vale para todas (hay muchas, como ya hemos mencionado anteriormente), se mueven a una velocidad excesivamente grande en torno al centro, tan rápido que, como el coche en una curva, saldrían disparados hacia el exterior, si no fuera por la existencia de algo pesado, pero in­visible, que se lo impide: la materia oscura.

Entretanto se ha «comprobado» la presencia de materia oscura en muchos lugares diferentes del universo. Se puede encontrar en nuestra Vía Láctea, en las galaxias elípticas, en las galaxias enanas, en los cúmulos de galaxias y en los supercúmulos, que son aún más grandes. En ningún sitio suce­derían las cosas tal como deberían suceder según nuestras previsiones, si sólo existiera lo visible. Recientemente especu­lan algunos sobre la existencia de materia oscura también en nuestro entorno inmediato: las sondas espaciales Pioneer n.° 10 y n.° 11, cuya tarea principal consiste en espiar a los grandes planetas Júpiter y Saturno, se ven atraídas en dirección al Sol por una fuerza que no presagia nada bueno, y en consecuen­cia se desplazan cada vez con mayor lentitud: hasta ahora no se ha podido explicar este fenómeno; las posibles causas va­rían desde una fuga de combustible hasta la materia oscura, que tiraría con toda su potencia de estas pobres naves espa­ciales.

Ahora bien, ¿qué es esa materia oscura? ¿Es peligrosa esa extraña cosa? ¿Puede explotar, o es quizá comestible? Podría­mos librarnos de este problema con suma elegancia si negá­ramos la existencia de la materia oscura y explicáramos los efectos anteriormente mencionados modificando sin vacila­ciones la ley de la gravedad. Todos los fenómenos que apun­tan a la existencia de la materia oscura, lo hacen sólo porque damos por supuesta la universalidad de la ley de la gravedad. Quizá tenemos simplemente una idea errónea de lo que es la gravedad. Ésta es la idea básica en que se apoya la teoría de la «dinámica newtoniana modificada» [Modified Newtonian Dynamics, cuya abreviatura es MOND], y otras construccio­nes mentales de tipo similar. En el contexto de la MOND, propuesto por el cosmólogo Mordehai Milgrom en 1983, la gravedad ya no se comporta de esa forma tan intransigente que conocemos desde siempre, sino que cambia su manera de actuar cuando se aplica a objetos que están muy alejados, lo cual sucede muy a menudo en el universo. Así, la MOND puede, por ejemplo, explicar las curvas de rotación de las ga­laxias, que en cualquier otro caso requieren grandes cantida­des de materia oscura. Sin embargo, no funciona ni mucho menos en todos los casos y genera una serie de problemas adicionales. Hasta ahora nadie ha inventado una teoría mo­dificada y completa de la gravedad que se pueda aplicar sin dificultades tanto en el dormitorio como en la sala de estar, y también en la cocina del universo. Por eso continúa la bús­queda de la materia oscura.

Las teorías relativas a su naturaleza se dividen en dos cla­ses: por una parte, podría tratarse de objetos pesados, pero sin brillo o poco brillantes, construidos con los mismos ma­teriales que todo lo que conocemos hasta ahora. A ésta se le llama materia oscura «bariónica», porque su masa se encuen­tra en gran medida en determinadas  partículas elementa­les, concretamente en los protones y los neutrones, que se lla­man también bariones. Unas buenas candidatas para esta categoría de materia oscura son las ya mencionadas enanas blancas, además de las llamadas enanas marrones, que ya volveremos a mencionar más adelante, y los agujeros negros. Estas oscuras sombras suelen englobarse en la sigla MA­CHO, correspondiente a massive compact halo objects «ob­jetos de halo masivo compacto».

Por otra parte, la materia oscura podría estar formada por una gran (o incluso enorme) cantidad de partículas ele­mentales que interaccionan muy débilmente con el resto del mundo y vuelan como autistas a través de las personas, la Tierra y el universo. Las primeras teorías de este tipo partían de unas partículas «calientes», o sea muy cargadas de ener­gía. El mejor candidato para esto ha sido durante mucho tiempo el neutrino, una partícula fantasmal que se libera, por ejemplo, en las centrales nucleares o cuando se producen ex­plosiones de estrellas y para cuya constatación son necesarios al menos veinticinco años. Sin embargo, parece claro que la masa de los neutrinos es demasiado escasa para explicar los fenómenos asociados a la materia oscura. Hay también mo­delos que trabajan con materia oscura «fría» y son muy pro­metedores. Las partículas en cuestión reciben nombres curio­sos, como neutralino, axión, gravitino o incluso Wimpzilla, y hasta ahora existen sólo en las mentes de algunos teóricos. Por el momento ninguno de ellos ha sido constatado de una manera que no deje lugar a dudas. En ocasiones, estos seres exóticos e hipotéticos reciben conjuntamente el nombre de WIMP, que significa weakly interacting massive particles [«partículas con masa que interaccionan débilmente»], y en última instancia lo que queda claro es que la investigación de la materia oscura es también una competición por el mejor acrónimo: ¿MOND, MACHO o WIMP?

Durante los últimos treinta años, los frentes de la investi­gación sobre la materia oscura han cambiado de posición muchas veces. En la década de 1970 se aceptaba principal­mente la hipótesis de que se trataba de materia bariónica, con un tipo de objetos que posteriormente se denominarían MA­CHO. En la década de 1980 se pasó página y se hicieron po­pulares los neutrinos, junto con los WIMP «fríos» y otras partículas elementales exóticas. A principios de la década de 1990 volvieron en primer lugar los MACHO, pero durante los años siguientes perdieron su ventaja a causa de nuevas ob­servaciones. De vez en cuando se utilizaron también mode­los híbridos: «El mundo necesita tanto MACHO como WIMP»* afirmaba el astrofísico inglés Bernard Carr en 1994. Llenos de esperanza, los expertos se refieren a estas teorías llamándolas escenarios con «dos hadas de los dientes»: cuan­do un niño pierde un diente de leche, lo pone por la noche bajo la almohada y espera al hada de los dientes, que se lo cambiará por una moneda. Todavía está por ver si el pro­blema de la materia oscura se resuelve con dos hadas de los dientes, es decir, con dos tipos diferentes de partículas.

Un buen ejemplo de lo que han supuesto las modas en la investigación de la materia oscura lo constituyen las llamadas enanas marrones. Al contrario que las estrellas, estos objetos no poseen en absoluto calentamiento interno. Mientras las estrellas, durante muchos millones de años, «queman» en su interior hidrógeno, generando así helio, las enanas marrones son demasiado pequeñas para producir las temperaturas que requiere este proceso. A eso se debe que su brillo sea débil y que sean, por consiguiente, difíciles de detectar. Si una estre­lla fuera una vela que arde de manera continua y segura, una enana marrón sería un pedazo de metal incandescente que se va enfriando poco a poco. Desde la década de 1960 se espe­cula sobre la existencia y las características de las enanas ma­rrones, pero hasta hace poco no se habían podido ver ni inves­tigar, entre otras cosas porque los telescopios eran demasiado poco potentes. Como no se sabía nada sobre cuántas podía haber en la Vía Láctea, fueron durante casi veinte años las mejores candidatas para constituir la materia oscura. Incluso en 1994, un año antes del descubrimiento de la primera ena­na marrón, a saber, de un objeto que recibió el lamentable nombre de Gliese 229B, Bernard Carr se refirió a las enanas marrones diciendo que eran la explicación «más plausible» para la gran cantidad de cosas invisibles que había en el espa­cio. Sin embargo, en unos pocos años se derrumbaron las gran­des esperanzas que se habían puesto en aquella rareza oscura y dudosa; se descubrieron numerosas enanas marrones, pero no fueron ni de lejos suficientes para dar ni siquiera una pista sobre lo que puede ser la materia oscura.

Un destino parecido al de las enanas marrones fue el que sufrieron también el resto de los candidatos a ser MACHO, así como los neutrinos: estas cosas existen, por supuesto, pero si se contabilizan todas ellas juntas, se obtiene sólo una pequeña fracción del total de materia oscura. Hoy en día, no queda prácticamente otra salida que creer en la existencia de materia oscura fría en forma de WIMP o algo parecido: unas Partículas elementales que se relacionan con el resto del universo casi exclusivamente por la fuerza gravitatoria que ejer­cen. Por lo demás, hasta ahora nadie sabe qué son exacta­mente. Por eso se produjo un acontecimiento de lo más emo­cionante cuando, a finales de la década de 1990, un equipo de investigadores formado en torno a Rita Bernabei preten­dió haber acreditado por primera vez la presencia de materia oscura en la Tierra. Con ayuda de unos pesados cristales sa­linos, enterrados en las profundidades de los Apeninos italia­nos, para protegerlos de radiaciones que pudieran interferir, se descubrió una señal que se atribuyó a la incrustación de partículas hasta la fecha invisibles dentro del cristal salino. ¿Sería que podían recogerse WIMP en el centro de Europa? Por desgracia esta noticia sensacional no sobrevivió a las comprobaciones críticas realizadas posteriormente. Por lo tanto, todo sigue como estaba, y el concepto de «materia os­cura» sigue siendo, como reconoce el astrónomo estadouni­dense David B. Cline, una «expresión de nuestro desconoci­miento» vacía de todo contenido.

Además, por lo que sabemos hasta ahora, el universo se compone de materia visible y materia oscura en una propor­ción que no va más allá de entre un cuarto y un tercio. El resto se ha calificado en su totalidad como «energía oscura», sólo por llamarlo de alguna manera, y con ello se alude a una fuerza misteriosa que acelera la expansión del universo. Quizá no haga falta decir que tampoco se sabe prácticamente nada sobre la naturaleza de esa energía oscura.

* Juego de palabras en inglés: wimp significa ‘canijo’ o ‘alfeñique .

Un kilo de materia oscura pesa más de diez tone­ladas.

Profesor Farnsworth

Futurama

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7 comentarios to “Enciclopedia de la ignorancia – La Materia Oscura”

  1. Dr. Phibes said

    La cita del Profesor Farnsworth define perfectamente lo que sabemos sobre el tema.

  2. Muy muy interesante. Como banda sonora os dejo con una canción de Antonio Vega, muy aficionado a la ciencia, que es muy propicia en este caso

    Materia Oscura

  3. [...] Enciclopedia de la ignorancia – La Materia Oscura, otro interesante capitulo. [...]

  4. cesar said

    Es estúpido decir que un Kilo de lo que sea pesa mas de 10 toneladas….ambas unidades son medidas de peso…tratándose de cualquier material de ninguna manera 1=/>1000…es una burrada!!

  5. cesar said

    eventualmente de aceptar la existencia de una materia mas densa se deben comparar medidas de volumen con medidas de peso, ejemplo: un litro de mercurio pesa mas que un litro de agua, así mismo un litro de gas pesará según su densidad y presión en el envase que lo contiene, y es muy fácil hacer esa medida con una simple balanza…el peso atómico y el peso molecular no se modifican con la densidad.

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