Esta de moda la materia oscura. Todo el mundo viene hablando insistentemente de ella en foros de discusión, páginas de Internet, diarios electrónicos e impresos, artículos científicos, etc. Estaba ya en la boca de muchos incluso antes de que se supiera el reciente anuncio (mayo 15 de 2007) de un equipo de astrofísicos que usando datos provistos por el telescopio espacial Hubble mapearon la distribución de materia oscura alrededor de un cúmulo de galaxias (un asunto que es hoy por hoy más o menos rutinario entre quienes estudian este tipo de sistemas astrofísicos) y un hallazgo “estrategicamente” bautizado por sus descubridores como la prueba definitiva de la existencia de esta “extraña” forma de materia. Para quienes llevamos años conviviendo con la idea de la existencia de esta forma omnipresente de materia (hay que recordar que su existencia fue hipotetizada desde los años 30s, yo personalmente tuve mi primer contacto académico con ella en 1995 trabajando con curvas de rotación galáctica) es muy positivo que un número creciente de personas más allá de las esferas académicas sean hoy concientes de que la composición material del Universo es más extraña de lo que nos habían informado.
Sin embargo como sucede con casi todo en la ciencia cuando una idea nueva (o incluso una que lleva años haciendo parte del establecimiento científico) quiere entrar en la cabeza de la gente de a pie debe hacerlo prácticamente a empellones y al costo a veces de faltas abiertas a “verdades científicas” establecidas. Con la materia oscura creo ha pasado algo de esta índole. Se que muchos de ustedes han estado en contacto con la idea de la existencia de la materia oscura a través de sitios de Internet, noticias, portales, páginas personales, cursos (muchos seguramente también han leído “papers” académicos del asunto) pero la mayor parte de la gente solo tiene contacto con estas ideas cuando se publican “comentarios” en medios masivos de divulgación, periódicos, sitios de noticias de toda índole, radio y televisión. En esa transición a veces se pierden cosas, se hacen omisiones (por falta de espacio, por desiciones didácticas o simplemente por falta de información de los comunicadores) y en ocasiones sencillamente se dicen mentiras.
Por qué no hacemos un ejercicio para “exorcizar” toda esta información que circula libremente entre nosotros sobre la materia oscura e identificar en esa masa de bits las cosas que definitivamente son correctas (en el sentido científico de la palabra – es decir correctas no por “verdaderas” sino por razonables y consistentes con los hechos) y aquellas que son sencillamente mitos creados tal vez para darle alguna popularidad y acogida al tema entre la gente o sencillamente producto del desconocimiento a profundidad de algunos de los aspectos centrales del problema. Abajo enumero una lista (seguro incompleta y muy personal) de los que considero algunos de los más evidentes mitos que circulan por ahí sobre esta “materia”. Seguramente hay más o tal vez piensen que algunos me los invente yo (y seguramente lo hice con propósitos mercadotécnicos), pero conjuntamente nos permiten clarificar que es lo que entiende la astrofísica hoy por hoy sobre esta “curiosa” forma de materia. El orden es arbitrario.
Materia oscura = Materia negra. 690 000 vs. 12 000. ¿Qué son estos números? el número de enlaces a páginas de Internet que se recuperan en Google (mayo de 2007)cuando se buscan estas dos expresiones en la web. Con una proporción de 60 a 1 parece entonces ser infundado el que yo escogí como el primer mito sobre la materia oscura y es aquel de ser llamada también por algunos hispanoparlantes materia negra. Si bien no hay nada profundamente científico en la manera como llamemos las cosas es importante clarificar el origen del adjetivo “oscura”, y tal vez clarificar también mi opinión sobre el por qué no deberíamos reemplazarlo por el de “negra”. El calificativo oscuro viene en una primera instancia de la propiedad de esta forma de materia de no absorber ni emitir luz, siendo prácticamente invisibles a todos los esfuerzos de observación de los astrónomos. Hasta hace algunos años se pensaba que esto no era del todo cierto y que algunas “formas” de materia oscura podrían tener emisiones de radiación (luz infrarroja, ondas de radio) tan tenues que eran difíciles de detectarse (por ejemplo cuando se pensaba que la principal componente de esta forma de materia eran enanas marrón, agujeros negros o planetas huérfanos). Hoy por hoy el calificativo hace referencia a una propiedad aún más general: la ausencia absoluta de capacidad para interactuar electromagnéticamente. La materia oscura no tiene carga, ni produce campos magnéticos y tampoco responde a ellos. Esta es la fuente de su innata “invisibilidad”. Siendo la naturaleza de la luz precisamente electromagnética no existe la más remota posibilidad de que un solo cuanto de radiación sea emitido o absorbido directamente por la materia oscura. Por esa misma razón llamarla “materia negra” es impreciso en tanto el calificativo de negro hace referencia a la propiedad de un cuerpo o un sistema para ABSORBER toda la radiación que incide sobre él (tal es el caso de un agujero negro o del “cuerpo negro” de Planck).
Nadie sabe lo qué es la materia oscura. Esta, más que un mito, es una frase muy popular entre quienes han leído solo un par de noticias en Internet o quienes tienen una visión mágica y misteriosa del mundo. Es cierto que no se sabe a ciencia cierta de que partículas específicamente esta compuesta esta forma de materia, pero mucho se entiende actualmente sobre las propiedades específicas que tienen esas partículas. Lo primero que se sabe es que no tienen ningún parentesco con protones y neutrones que hacen parte de un grupo de partículas denominados conjuntamente Bariones y que están íntimamente compuestos por quarks. Los bariones forman los núcleos atómicos de nuestros átomos, que a su vez representan el 99.95% de la masa de casi toda la materia que nos rodea (en mi cuerpo de 70 kg hay solamente 25 miligramos de partículas que no son bariones). Tampoco son electrones (esos miserables 25 miligramos que menciono arriba) y la razón(es) es(son) trivial(es): por cada electrón en el Universo hay en promedio 2 bariones de modo que no podríamos tener una cantidad absurda de materia invisible en la forma de electrones sin tener una contraparte en igual cantidad de bariones; de otro lado los electrones tienen carga eléctrica y absorberían y emitirían radiación copiosamente (ellos son los responsables directos de casi toda la luz que vemos en el Universo!). La materia oscura entonces no interáctua electromagnéticamente ni lo hace como los bariones con las “fuerzas” nucleares, entonces solo tiene 2 modos posibles para “relacionarse” con el resto del universo: la gravedad (que es un comodín entre las fuerzas en el sentido que todas las formas de materia y energía, exóticas o no, la sienten) y la poco popular “interacción débil”. ¿qué podemos decir de su masa? De forma precisa no mucho, pero los cosmologos llevan años puliendo los rasgos de un modelo que llaman actualmente el modelo del universo con materia oscura fría. En este modelo si se supone que las más grandes estructuras del Universo se formaron de la evolución de enormes “grumos” de materia oscura formada por partículas muy pesadas (entre una y varias miles de veces más pesadas que un protón) entonces los rasgos de los racimos de galaxias y de las galaxias mismas serían mejor explicados.
En síntesis se dice entonces que la materia oscura esta formada por partículas elementales no bariónicas, que interactuán débilmente y que son mucho más pesadas que las partículas elementales que conocemos (quarks y electrones). Los físicos de partículas las llaman WIMPs (Weakly Interactive Massive Particles), o en castellano DEBILUCHAs. Pero ¿qué partículas exactamente son? (en el extenso bestiario de la física de partículas contemporánea) ¿cuál es su masa exactamente? esto si se desconoce. Yo no se ustedes, pero yo creo que si se sabe bien lo que es la materia oscura. Simplemente se desconocen algunos detalles que seguramente cuando se clarifiquen no mojarán las páginas de los medios masivos de comunicación.
No se ha descubierto todavía la materia oscura. Si clarificamos primero lo que significa descubrir tal vez me entenderán por que considero esta afirmación (también popular en muchas partes, aunque mucho menos después de la noticia reciente) como un mito infundado. Según los diccionario descubrir es “hallar lo que estaba ignorado” (DRAE) o “(discovery) is a novel observation” (wikipedia). Obedeciendo a esto podemos decir que la materia oscura fue descubierta en 1933 por Fritz Zwicky a partir de observaciones de la discrepancia entre la masa estimada por la cantidad de estrellas (fuentes de luz) en un cúmulo de galaxias y la masa calculada a partir de la dinámica del cúmulo. Ni siquiera la descubrieron los científicos que observaron el curioso anillo alrededor de aquel cúmulo de nombre irrepetible, ni el primer astrónomo que observo la discrepancia entre la velocidad de rotación de los extramuros de las galaxias y lo esperado de acuerdo a la distribución de estrellas en ellas, la materia oscura fue descubierta en los años 30s. Ahora, otra cosa bien distinta es la detección instrumental de la materia oscura. Siendo partículas elementales sin ninguna empatía por las demás vagan libremente por el Universo llenando el espacio (cuidado acaban de atravesarlo en este momento y sin sentirlo más de un billón de WIMPs). ¿por qué no emprender una cacería? si están entre nosotros podríamos tenderles trampas y coleccionarlas. Muy complicado mi querido “Watson”. Por su débil interacción la probabilidad de que uno de esos billones de WIMPs que lo atraviesan revele su presencia a algún electrón o barión es muy pequeña. Incluso de hacerlo probablemente no lo notaría. Entonces, ¿cómo construir una trampa para partículas tan esquivas?. Este es el trabajo han realizado y vienen realizando detectores como DAMA (que tuve la suerte de conocer directamente en una visita a los laboratorios del Gran Sasso en Italia) o CMDS desde hace ya cerca de una década, lamentablemente sin suerte hasta ahora.
La materia oscura esta formada (en este orden) por agujeros negros, enanas marrón, planetas huérfanos y otras formas extraña de materia. Este es uno de los más extendidos mitos entre comensales y medios de comunicación masivos. El mito se fundamenta en lo que hasta hace cerca de una década era una más o menos razonable hipótesis para explicar la masa invisible en nuestra galaxia. Al fin y al cabo muchos de esos cuerpos astrofísicos son prácticamente indetectables. La hipótesis sin embargo cayo literalmente por su propio “peso” en la última década. En primer lugar, para citar un ejemplo sencillo, es difícil explicar con argumentos astrofísicos como puede la galaxia producir 10 veces más masa en la forma de planetas o agujeros negros que en la forma de estrellas o gas (del que se formarían esos mismo objetos); además la mayoría de los agujeros negros se forman en la muerte violenta de estrellas. Si el halo de nuestra galaxia estuviera lleno de ellos las explosiones que los formaron habrían calentado tanto el gas de nuestra galaxia que ninguna estrella se habría formado después. Pero el más contundente de todos los argumentos lo ofrece el estudio de la formación de los átomos en el Universo primitivo. La cantidad de átomos de diversos tipos en el Universo fue determinado por muy distintos factores entre el primer segundo de vida del universo y los 10 minutos siguientes en una etapa que se conoce como la “nucleosíntesis primordial”. Todos los cálculos de esta etapa DEMUESTRAN que para producir un Universo formado en un 75% de Hidrógeno y un 25% porciento de Helio con trazas miserables de otros elementos la cantidad de bariones no puede superar más del 4% de la cantidad total de masa-energía contenida en él. La medida sin embargo de la gravedad de galaxias y de cúmulos de galaxias muestran que la materia contenida en ellos representa un 30% de la cantidad total de masa-energía en el Universo, naturalmente en su mayoría materia oscura. Si supusiéramos que una importante fracción de la materia oscura es bariónica (como es el caso al creer que son enanas marrón o planetas huérfanos que están hechos de átomos e incluso agujeros negros que son formados en un principio también de ellos) entonces no podríamos explicar por qué el Universo tiene 3 veces más Hidrógeno que Helio. Peor aún, en un Universo con sobre población de Helio tal vez no existirían condiciones para la vida y todo sería radicalmente distinto a como lo conocemos!
La materia oscura solo esta en los halos de las galaxias y en los grandes conglomerados galácticos. La materia oscura llena el Universo. Naturalmente no de forma homógenea, pero cada rincón esta “sucio” de ella, lo esta el vasto espacio entre las galaxias, las regiones casi desprovistas de gas y estrellas en los halos de galaxias de disco, el interior de nuestro Sol y del planeta Tierra y hasta nuestro cuerpo. Eso sí con una condición: siempre en movimiento, nunca la misma. Las partículas de materia oscura que hoy llenan mi casa no son las mismas que las de mañana.
La antimateria es una componente de la materia oscura. Este mito viene de lo que para mucha gente es la natural empatía que debe existir en la realidad entre todas las cosas desconocidas o poco comprendidas. Si la materia oscura se conoce tan poco y la antimateria es tan extraña, seguro deben estar relacionadas. Ambas cosas son completamente falsas. En primera instancia la antimateria no existe de forma natural en el Universo presente, por lo menos en las cantidades en las que existe la materia. Su presencia en abundancia solo fue posible durante los primeros milisegundos del Universo. La razón de todo ello es la naturaleza “conflictiva” y “explosiva” de esta forma de materia. Como seguramente la mayoría de ustedes saben cuando una partícula (materia) interáctua con su antipartícula respectiva (antimateria) el resultado es la desaparición definitiva de ambas con la muy desagradable consecuencia de que toda la energía contenida en ellas se convierte en la mayoría de los casos en energía radiante, luz. Si existieran enormes cantidades de antimateria entonces el cielo brillaría intensamente ante las seguramente muy frecuentes y violentas revolturas con la materia convencional. Es cierto sin embargo que precisamente por su increíblemente débil interacción las antipartículas de los WIMPs habrán sobrevivido mucho más que las antipartículas de los bariones y los electrones y estarían presentes también mezcladas entre nosotros y a salvo por su bajísima empatía hasta con sus compañeras. Se ha hipotetizado inclusive que la aniquilación de partículas y antipartículas de materia oscura podría contribuir al calor interno en algunos cuerpos astrofísicos donde por efecto de la gravedad ellas se concentrarían. Bueno pero este es otro cuento.
La materia oscura y la energía oscura son parientes. En lo absoluto. Solo tienen de parecido el calificativo de oscuras y el hecho de ser formas de masa-energía hasta hace muy poco tiempo conocidas. Como seguramente la mayoría de ustedes sabrán también la energía oscura es una forma hipotética de energía que se supone constituye más del 70% de la masa total del Universo y que además sería responsable por un curioso fenómeno descubierto hace apenas una década: en lugar de frenarse el ritmo de expansión del Universo por efecto natural de la atracción gravitacional entre sus partes, la expansión esta aumentando producto, dicen, del efecto “repulsivo” a MUY GRAN escala de esta forma “EXOTIQUÍSIMA” de energía. Entonces, nada que ver lo uno con lo otro. Es más, si quisiéramos hablar de cosas extrañas en la cosmología y la astrofísica contemporánea, tal vez no deberíamos gastarle tanto bit a la materia oscura (que como hemos visto aquí se conoce bastante bien desde hace ya más de 70 años) y más bien deberíamos levantar las “parabólicas” para escuchar lo que se esta diciendo de la energía oscura. En mi concepto en años venideros, gracias al “caso” de la energía oscura, tendremos que reevaluar o bien las observaciones cosmológicas (difícilmente) o bien nuestro entendimiento de la física fundamental.
El descubrimiento del anillo de materia oscura alrededor del cúmulo ZwCl 0024+1652 es la “prueba más tangible” de la existencia de esta forma de materia (ver http://es.noticias.yahoo.com/afp/20070516/ten-eeuu-espacio-astronomia-c3b52a1.html). Este es definitivamente, el más reciente mito sobre la materia oscura. Su origen tal vez se puede rastrear hasta las mismas palabras de los autores del descubrimiento ante la prensa mundial cuando dijeron "This is the first time we have detected dark matter as having an unique structure that is different from both the gas and galaxies in the cluster.”
Si se leen literalmente las palabras de los astrofísicos se descubre que su afirmación está, primero, lejos de asignarse el protagonismo del descubrimiento “tangible” como nunca antes se había hecho de la presencia de materia oscura en cúmulos de galaxias. Sin embargo, y este es mi concepto profesional, desconoce descubrimientos anteriores que también muestran observaciones indirectas de “(una estructura única) de materia osucra que es diferente de la del gas y las galaxias en el cúmulo”. Basta recordar otro muy sonado y reciente caso: el cúmulo de la bala. En ese cúmulo también la distribución y comportamiento de la materia oscura dista mucho de ser el mismo que el de los gases y las estrellas. Con solo este caso es díficil sostener que el descubrimiento del anillo de materia oscura sea realmente la “prueba más tangible” de la existencia de este tipo de materia.
Con todo la materia oscura seguirá dando de que hablar en años venideros. Bien y mal (más lo segundo que lo primero seguramente). Siendo optimistas, con el tiempo (ojala muy poco) los comunicadores irán precisando y volviendo del dominio público los hechos bien conocidos sobre esta ABUNDANTE forma de materia (lo de exótica o curiosa parece ser más fácil de aplicar a la materia bariónica). Yo realmente soy pesimista y seguiré mirando con recelo todo lo que escriben.
Jorge Zuluaga
Medellín - Colombia
P.S. ¡Cuidado!: el congreso de los E.U. esta ajustando el presupuesto para la investigación científica en el país. Con una necesidad tan grande por el preciado presupuesto es común que se produzcan anuncios de descubrimientos científicos espectaculares de los que son realmente hallazgos más o menos salidos de lo normal. Desde esta oscura esquina de la blogosfera deseamos lo mejor para quienes buscan la platica para sus investigaciones pero esperamos no dejar nunca de tener una actitud crítica ante esos esfuerzos “políticos” que causan a veces confusión entre quienes reciben de cuarta o quinta mano las noticias sobre los descubrimientos científicos.
Fuentes de las imágenes:
Imágen 1. ESA News, http://www.esa.int/esaCP/SEM5SHV681F_index_0.html
Imágen 2. Chandra X-Ray observatory. http://chandra.harvard.edu/photo/2006/1e0657
Para saber más:
http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2007/17/full/
El “press release” original del Hubble anunciando el descubrimiento de un anillo de materia oscura alrededor del cúmulo ZwCl 0024+1652.
http://relativity.livingreviews.org/open?pubNo=lrr-2002-4&page=node10.html
Un excelente “living review” sobre la búsqueda experimental de materia oscura.
http://www.fis.cinvestav.mx/~xamador/Artikelvetenskapen/Oscura.htm
Un excelente esfuerzo por divulgar de manera seria el tema (y en castellano!)
http://arxiv.org/abs/0705.2171
Preprint del artículo original publicado por los autores del descubrimiento un anillo de materia oscura alrededor del cúmulo ZwCl 0024+1652.
