Oscura o desconocida?

Esta entrada la dedico a la materia oscura, como respuesta a la petición de mi amigo Fin. Animaros y hacer como él si queréis que toque algún tema en particular.

Empezaré por explicar que no es que en Astrofísica/Cosmología pongamos el adjetivo de "oscuro" a todo lo que no entendemos: me refiero a la materia oscura y la energía "oscura". Son dos temas bien distintos, incluso desde el punto de vista filosófico! Por un lado la materia oscura, como os describiré a continuación, es un tipo de materia de la que conocemos muchas de sus características o propiedades, pero que todavía no hemos sido capaces de observar que tipo de partícula la compone. Sin embargo, la energía "oscura", llamada así por similitud con la anterior, viene interpretada como una hipotética energía que esta en todo el Universo y produce que éste se expanda cada vez mas rápido. En realidad, muchos creemos que esta energía "oscura" es solo un artefacto matemático que nos ayuda a explicar lo que observamos, por ejemplo la CMB, pero que en realidad nos está diciendo que hay algo que todavía no hemos entendido bien en el funcionamiento del cosmos...

Pero dejemos la filosofía de la ciencia para otro momento y centrémonos en la materia oscura. Ya en los años 30, astrónomos como Jan Oort o Fritz Zwitchy, se dieron cuenta que para explicar sus observaciones necesitaban una cantidad de masa mayor de la que podían observar, de ahí que empezase a llamarse "oscura". En Astrofísica solo podemos observar aquellos objetos que emiten o reflejan luz ( fotones). Así que objetos sin luz propia, como por ejemplo los planetas, se vuelven casi invisibles para nosotros (echarle un vistazo a la entrada anterior para entender cómo somos capaces de detectar planetas fuera de nuestro sistema solar).

Pero os estaréis preguntando que cómo entonces nos hemos dado cuenta de su existencia: como el resto de la materia ordinaria (es decir, la que conocemos bien y de la que estamos hechos nosotros, que se llama bariónica), la materia oscura produce un efecto gravitatorio en la materia luminosa que la rodea. Nosotros lo que notamos es que la materia luminosa en ciertos casos no se comporta como debería. 

A continuación os comento los casos principales que nos han convencido de la existencia de esta materia oscura:

• La materia oscura prácticamente no interacciona ni consigo misma ni con la materia ordinaria (esto lo sabemos porque si no emitiría fotones y podríamos observarla). Por esta razón, no forma estructuras como los brazos espirales de nuestra propia Galaxia y adopta formas mucho mas sencillas que tienden a rodear la materia que si que vemos nosotros. En general, se puede decir que cada galaxia que vemos esta dentro de un halo de materia oscura. Esto lo hemos entendido al observar el movimiento de grupos de estrellas (cúmulos globulares, etc) que no están en el disco de nuestra Galaxia y que se mueven en círculos y mas rápido de lo que deberían si solo existiese la materia luminosa que forma el disco.

Imagen descriptiva de una típica galaxia espiral: en el centro la galaxia espiral formada por la materia luminosa que podemos ver rodeada por un halo de materia oscura. Los puntos blancos en el halo indicarían estrellas o grupos de estrellas que se moverían libremente por el halo.

• Por otro lado, cuando observamos girar otras galaxias símiles a la nuestra, vemos que a medida que nos alejamos del centro, la velocidad con la que giran no disminuye como nos esperaríamos si no que se mantiene hasta distancias a veces mucho mas largas de lo que vemos a primera vista.  De nuevo, la explicación mas sencilla es que hay mas materia girando de la que conseguimos observar.

Curvas de rotación de una galaxia típica. En azul se muestra la curva que se espera si toda la masa estuviera concentrada en el centro (caso A), como es el caso de la materia luminosa. En rojo (caso B), la curva que en cambio se observa y que indica la presencia de mayor cantidad de materia lejos del centro.

• Por último, sin meterme a dar muchas explicaciones, comentaros que los fotones también sienten la atracción gravitatoria y modifican su trayectoria si pasan lo suficientemente cerca de una acumulación de masa. Este fenómeno se llama efecto de lente gravitacional. Pues bien, este efecto nos permite determinar la masa total y no sólo la luminosa del objeto en cuestión, descubriendo en general que la materia luminosa es sólo una pequeña porción de la total.

Cúmulo Bala (Bullet cluster) observado por el telescopio Hubble.  Se piensa que es  el residuo de la colisión de dos cúmulos de galaxias donde la materia ordinaria (observada en rayos X, en rojo) se ha quedado concentrada en la zona de choque, mientras que la materia oscura ha continuado su camino casi sin interaccionar (determinada a través del efecto gravitacional producido en las galaxias que estaban detrás; en azul)

Pero me diréis: donde esta el problema, lo habéis visto no? En realidad hemos visto sólo su efecto, pero todavía desconocemos su causa! Todavía no hemos conseguido determinar (observar en un experimento) qué tipo de partícula la compone. Hasta que esto no suceda, también en este caso, el adjetivo de "oscura" seguirá sonando a "desconocido".

A día de hoy existen varios experimentos en el mundo (enterrados en minas, o bajo el hielo de la Antártida o bajo el mar) que intentan detectar este tipo de materia a través de su interacción con las partículas que ya conocemos. Sin embargo, como os decía antes, esta materia es muy tímida y le cuesta mucho relacionarse, lo que se traduce en que sea muy difícil poder pillarla justo en ese momento!

Por ahora, estos experimentos sólo han podido descartar algunas hipótesis teóricas sobre la naturaleza de estas partículas. Pero la comunidad científica es optimista y, si los recortes no lo impiden, se espera poder dar una respuesta final al problema de la naturaleza de la materia oscura en los próximos años.

No quiero terminar sin comentar que también existen teorías alternativas para explicar las observaciones que os comentaba antes, pero que hasta ahora no han conseguido convencer a la comunidad científica sobre su validez. Simplificando, estas teorías se basan en la idea de que la gravedad se comportaría de forma distinta a como conocemos cuando las distancias son demasiado grandes (escalas galácticas).

Espero vuestros comentarios para saber si he conseguido aclararos un poco este tema o si, por el contrario, queréis detalles más preciso en una u otra dirección.

Hasta el próximo tortu!