El misterio de la materia invisible
Lo más incomprensible del Universo es que sea comprensible. Esta conocida frase de Einstein resume el sentimiento de admiración que embarga a los científicos cuando constatan que las leyes físicas se cumplen no solo en el laboratorio o en nuestra cercanía más próxima sino también en entornos tan infinitamente pequeños como los que son objeto de la Física de partículas o tan infinitamente grandes como es el propio Universo
Lo más incomprensible del Universo es que sea comprensible. Esta conocida frase de Einstein resume el sentimiento de admiración que embarga a los científicos cuando constatan que las leyes físicas se cumplen no solo en el laboratorio o en nuestra cercanía más próxima sino también en entornos tan infinitamente pequeños como los que son objeto de la Física de partículas o tan infinitamente grandes como es el propio Universo.
Del Universo cada vez sabemos más al poder ser superadas las limitaciones derivadas de su observación directa y aplicarse continuamente nuevas y sofisticadas técnicas, algunas emplazadas en satélites y vehículos espaciales, que usan y analizan todo tipo de radiaciones. Sin embargo, la reflexión de Einstein tiene hoy día plena vigencia ya que aún restan inmensas incógnitas por despejar respecto al Universo. Una de ellas la constituye la existencia de la misteriosa materia que según la mayoría de los astrónomos y cosmólogos significa nada más y nada menos que un 90% de toda la masa del Universo y sobre cuyas características prácticamente solo existen elucubraciones al no poder ser observada ni analizada directamente sino únicamente por sus efectos indirectos. Debido a ello se le denomina materia oscura, materia invisible o materia negra.
El físico suizo Fritz Zwicky alcanzó bastante fama cuando se comprobó lo acertado de su suposición, expresada en 1934, de que el colapso del núcleo de una estrella en explosión podía dar lugar a una estrella de neutrones, de pequeño tamaño y una densidad inmensa. Pues bien, fue el mismo Zwicky quien 8 años más tarde comprobó que las galaxias del cúmulo de Coma se movían a una velocidad superior a la compatible con su propia existencia salvo que existiese una gravedad mucho más intensa que la calculada a partir del número de estrellas visibles de esas galaxias, gravedad que sería ocasionada por un halo de materia invisible. Del mismo modo los movimientos de la galaxia de la Vía Láctea, de la que forma parte nuestro sistema solar, solo son explicables si estamos rodeados e incluso impregnados de una gran cantidad de materia invisible oscura. A partir de las observaciones de Zwicky y de las muchísimas realizadas en los últimos dos decenios, el de la materia negra se ha convertido en uno de los temas principales de la astronomía y cosmología.
¿Qué puede ser realmente la materia negra? Comentaremos muy brevemente algunas de las respuestas que se ofrecen. Una primera posibilidad es que consista en multitud de estrellas de masa intermedia entre la de Júpiter y la del Sol, es decir enanas marrones, tan pequeñas que no dan lugar a reacciones de fusión nuclear y por ello son oscuras. Una segunda posibilidad es que esta materia sea simplemente una gran asociación de agujeros negros, o sea los restos muertos de grandísimas estrellas que se formaron al comienzo del Universo, que posteriormente explosionaron y dieron lugar a unos inmensos agujeros negros cuya masa puede ser miles de millones de veces la de nuestro sol. La tercera posibilidad es la de que consista en partículas elementales, que podrían ser restos del Big Bang.
En este último caso, se ha calculado que en cada momento, cada uno de nosotros, podríamos estar atravesados por unas diez mil partículas de materia negra a una velocidad de varios cientos de kilómetros por segundo. Es evidente que las interacciones con la materia de nuestro cuerpo, si existen, deben ser muy débiles. Las partículas sospechosas pueden ser varias, entre ellas los fantasmagóricos neutrinos que atraviesan la materia orgánica prácticamente sin afectarla, pero existen dos dificultades para ello: que a los neutrinos se les considera sin masa, no productores de gravedad, y que están demasiado calientes, es decir viajan a demasiada velocidad para que permanezcan en las proximidades de las galaxias. Pero los neutrinos, de los que existen tres variedades, electrón, muón y tau, no pueden descartarse, pues en 1990 algunos científicos, entre ellos el premio Nobel Hans Bethe afirmaron que las teorías convencionales sobre los neutrinos podían ser erróneas ya que era demostrable la posibilidad del cambio de variedad entre ellos, lo que indica la existencia de alguna masa, por lo que si se agrupasen en suficiente cantidad podrían ser la causa de la materia negra.
Hasta hace poco la materia negra se había asociado a diversos contextos astronómicos tales como el de galaxias individuales con halos que se extienden más allá de las estrellas visibles y también con grandes asociaciones (cientos o miles de unidades) de galaxias que parecen mostrar un halo colectivo de esa materia, posiblemente formado a partir de los halos particulares originales de las galaxias constituyentes. Pero desde hace unos pocos meses el fenómeno también es aplicable a las pequeñas asociaciones (unas cuantas unidades) de galaxias. En efecto, se llama masa de baryones de una galaxia o de un grupo de galaxias a la masa de sus estrellas y de su gas caliente, es decir la masa de lo observable, mientras el resto de la masa correspondería a la materia negra. Los grupos de galaxias HG92 y HCG62, ambos estudiados este año, han mostrado poseer masas de baryones inferiores al 15% lo que significa que el resto, superior al 75%, correspondería a materia negra.
Esta materia, por su importancia, ha sido determinante de la historia del Universo, de la formación y arracimamiento de las galaxias en zonas espaciales de millones de años-luz y lo será respecto al destino futuro del Universo. Por ello, los experimentos encaminados a su detección y análisis son de los más interesantes de la Física y Astronomía actuales. Y para añadir más controversia al respecto, incluso existen científicos como alguno que, muy recientemente, ha defendido que los datos indicativos de la existencia de la materia negra podrían ser interpretables sin acudir a tal existencia, achacándolos a la naturaleza y características de los sistemas de experimentación usados y a las propias propiedades de los fenómenos estudiados. En todo caso es evidente que para la inmensa mayoría de astrónomos, cosmólogos y físicos de partículas sigue constituyendo un reto fascinante descubrir qué es realmente la misteriosa materia negra.
Información adicional
*El pasado mes de febrero el astrónomo Mulchaey y su equipo investigador publicaron en la revista Astrophysic el estudio sobre el pequeño grupo compacto de galaxias HG92, encontrando un contenido en materia negra del 96%, próximo a la media del Universo.
* Ponman y Bertram, en mayo pasado, publicaban en Nature sus resultados sobre otra pequeña asociación de galaxias, la HCG62, con un valor medio de baryones del 15%, no existiendo aun explicaciones claras de las razones para ese exceso de baryones, o defecto de materia negra respecto a sus medias universales, del orden del 5%. Ese fenómeno también se ha encontrado en el clúster de las galaxias COMA.
*Los estudios sobre HCG62 se han realizado a partir de las observaciones efectuadas con el telescopio espacial ROSAT de rayos X, permitiendo saber que su evolución futura será la de la contracción del grupo galáctico más rápidamente que lo hará la materia negra, por lo que en unos mil millones de años dará lugar a una única gran galaxia elíptica situada en el centro de un gran halo de materia negra, es decir se convertirá en una galaxia fósil. Con el ROSAT se está investigando si ya existen otras galaxias fósiles de ese tipo.
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