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Hoy hace exactamente 10 años que astrónomos de la Universidad de Cardiff anunciaron haber descubierto una nueva galaxia. Se encontraba en el Cúmulo de Virgo, a unos 50 millones de años luz de la Tierra, y le pusieron el poético nombre de VIRGOHI21.

En realidad descubrir una nueva galaxia por esas fechas no tenía nada de especial. El telescopio espacial Hubble había permitido catalogar ya miles de ellas con impresionantes detalles sobre su forma y tamaño. Pero ésta era absolutamente diferente a cualquiera de las conocidas hasta entonces. ¡No contenía ninguna estrella visible! Nada en su interior emitía ni interaccionaba con la radiación electromagnética, por lo que era completamente invisible a los telescopios.

Entonces,… ¿De qué estaba compuesta? ¿Y cómo lograron detectarla? Pues de eso vamos a hablar en este artículo, de la misteriosa materia oscura y de su posible detección.

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Imagen de la galaxia VIRGOHI21, encontrada mediante el estudio del hidrógeno neutro en el cúmulo (ver círculo central). Fuente: Minchin, R.

Un poco de historia

El revuelo que siguió a la noticia del descubrimiento de la galaxia VIRGOHI21 fue considerable. Hacía ya años que se especulaba con la existencia de una materia invisible, e incluso se tenían pruebas indirectas de su presencia en el universo. ¡Pero detectar una galaxia compuesta casi enteramente por esa materia oscura era algo impresionante! Parecía que el misterio se podría resolver en pocos años, que al fin podría entenderse la extraña naturaleza de esa materia casi un siglo después de que se postulara su existencia por primera vez.

Todo había empezado en 1933, cuando el astrónomo Suizo Fritz Zwicky observó que las galaxias en el cúmulo de Coma giraban más rápido de lo esperado. Usando este resultado y la ley de la gravitación de Newton pudo calcular la masa promedio que debían tener las galaxias en el cúmulo. Y ahí apareció el problema, pues la cantidad de masa visible en esa zona era sólo un 2% de la que acababa de calcular. Es decir, si sus resultados eran correctos había un 98% de la masa que no se veía porqué no emitía radiación.

Desafortunadamente Zwicky no fue tomado en serio por los científicos de la época y su teoría fue olvidada hasta que a finales de los años 60 la astrónoma norteamericana Vera Rubin llegó a una conclusión parecida. Rubin estaba estudiando la dinámica de las galaxias espiral y se dio cuenta de que la parte externa de todas ellas giraba más rápido de lo que las leyes básicas de la física clásica predecían.

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Velocidad de rotación de las estrellas en función de su distancia al centro de la galaxia.

En el gráfico de la derecha se muestran las velocidades observadas experi-mentalmente (línea contínua) y las predichas por las ecuaciones keplerianas (línea discontinua). Comparándolas se puede ver que las velocidades de rotación observadas son casi constantes mientras que lo que se esperaría son velocidades cada vez más pequeñas al alejarnos del centro de la galaxia (si avanzamos hacia la derecha en la gráfica).

Para explicar esta discrepancia (llamada el problema de las curvas de rotación) Rubin llegó a la misma conclusión que Zwicky. Las galaxias debían tener mucha más materia de la que vemos para que la curva teórica y la observada coincidieran. De nuevo se requería de una materia oscura para salvar la física establecida. Y de nuevo la propuesta fue rechazada por la mayoría de astrónomos (por extravagante y por ser presentada por una mujer).

Pero Rubin perseveró y continuó estudiando un total de 11 galaxias espiral (incluida la Vía Láctea), encontrando que en todas ellas las velocidades de rotación de las estrellas alejadas del centro eran más altas de las predichas. Para 1978 ya varios astrónomos habían empezado a corroborar estos resultados, poniendo sobre la mesa una disyuntiva inevitable: o existía la materia oscura o bien la gravedad newtoniana no se podía aplicar universalmente.

Desde entonces numerosas observaciones han indicado la presencia de materia oscura en galaxias y entre ellas, hasta el punto que su existencia es aceptada mayoritariamente en la astrofísica moderna. Los cálculos actuales estiman que sólo podemos ver el 5% de la masa total de nuestro universo, y que el 95% restante se divide entre materia oscura (27%) y energía oscura (68%).

Esta última es una forma de energía de la que se sabe aún menos que de la materia oscura (¡aún menos!), necesaria para explicar la expansión acelerada de nuestro universo. Pero esta es otra historia que deberá ser contada en otra entrada.

Candidatos muy exóticos

Hasta el momento hemos visto que parece que el universo tiene que estar lleno de una materia oscura que no somos capaces de detectar. Las dos teorías vigentes, la cosmología moderna y la teoría de cuerdas, requieren de su existencia en una proporción de casi seis veces la cantidad de materia visible.

Pero entre las muchas preguntas que quedan por resolver, una sobresale de manera contundente: ¿De qué está hecha la materia oscura?

La verdad es que los astrofísicos saben mucho más sobre lo que es que de qué está formada. Lo que está claro es que si existe debe ser completamente negra. Y para que sea así lo que hace falta es que no interaccione de ninguna manera con la radiación electromagnética.

Pero esto no es nada fácil de entender, pues toda la materia conocida hasta el momento emite y refleja radiación. Tu mano, mi ordenador, tu suegra, las gotas del rocío, el Sol y las demás estrellas del firmamento, todo lo que podemos ver (llamado materia bariónica) está formado a partir de electrones, protones y neutrones.

¿Y podría ser que la materia oscura también estuviera formada por esos mismos elementos? Pues en principio nada impide tener materia bariónica oscura, en forma de estrellas de neutrones, enanas blancas o agujeros negros. El problema es que estos objetos podemos detectarlos y no son suficientes para justificar la inmensa cantidad de masa asociada a la materia oscura por las teorías actuales.

Por tanto hay que seguir buscando…

Y para evitar malos entendidos aclararemos aquí que la materia oscura NO puede ser nubes oscuras de materia convencional, porqué si así fuera la detectaríamos por su absorción de la radiación que la atravesara. También hay que aclarar que la materia oscura NO tiene nada que ver con la antimateria. Por ejemplo, un antielectrón (o positrón) es la antipartícula del electrón, pero es claramente detectable y suficiente tiene con ese nombre tan poco simpático como para que encima se le confunda con la materia oscura.

Así que si lo que conocemos no nos sirve, tocará buscar entre la materia no bariónica, formada a partir de otras partículas más exóticas. Entre los posibles candidatos tenemos:

  • Axiones: Unas peculiares partículas subatómicas cuya existencia no ha sido demostrada y que deben su nombre a Frank Wilczek y a un bote de detergente de marca “Axión” (no es broma).
  • WIMPS: Acrónimo de Weakly Interacting Massive Particles (partículas masivas que interactúan débilmente), su existencia tampoco ha podido aún ser confirmada. Estas partículas interactuarían debido a la interacción nuclear débil y la gravedad y, posiblemente, a través de otras interacciones no más fuertes que la fuerza nuclear débil. Estas características los harían similares a los neutrinos, con la diferencia de que los WIMPS deberían ser mucho más masivos, y por lo tanto, más lentos. Para más información sigue el enlace.

¡Y hasta aquí hemos llegado! Como habéis podido comprobar, diez años después del supuesto descubrimiento de una galaxia compuesta por materia oscura, aún se está muy lejos de entender lo que dicha materia es. Las evidencias están ahí, pero hasta que no se logre detectar de manera concluyente su existencia seguirán apareciendo objeciones y teorías alternativas.

Así avanza la física, a trompicones, buscando respuestas concretas a preguntas tan profundas que a veces dan vértigo. Y yo digo: ¡Que viva el vértigo!

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