Fantasías oscuras de ayer y de hoy

26/07/2016 0 comentarios
Menear

Desde la Grecia clásica hasta nuestros días, los pensadores y científicos que han pretendido explicar los movimientos de los astros han recurrido, una y otra vez, a la materia oscura. No siempre se ha llamado así, pero una componente invisible –el lado oscuro del universo– ha estado siempre presente en la historia de la ciencia. Como en la mayoría de las aventuras humanas, esta presencia ha tenido sus luces y sus sombras.

 

Esferas cristalinas

Posiblemente, la primera vez que se postula la existencia de materia oscura es en el siglo IV a.C. Se hace para mantener la estabilidad del cosmos tal y como se entendía en ese momento. Eudoxo de Cnido, discípulo de Platón, la introduce para justificar tanto el movimiento aparente de las estrellas fijas a la bóveda celeste, que dan una vuelta en un día, como el de los "planetas", que, además de participar de ese movimiento, vagabundean noche tras noche entre las estrellas fijas. La materia invisible que Eudoxo postula no era oscura sino transparente: esferas cristalinas sobre las que los astros estarían engarzados; esferas perfectas que describen movimientos uniformes y armoniosos; esferas, hechas de quintaesencia, que permiten explicar las observaciones astronómicas en un modelo geocéntrico. Esta materia oscura, una entidad postulada, pero no visible, perduró por siglos, y no fue cuestionada ni siquiera cuando las esferas dejaron de girar en torno a la Tierra y lo hicieron en torno al Sol con Nicolás Copérnico en 1543.

Las esferas del sistema del mundo de Ptolomeo, en una representación que aparece en Harmonia Macrocosmica De Cellarius (1661).  Cortesía de Special Collections, University of Amsterdam.

Años más tarde, en 1577, un gran cometa dominó el cielo nocturno durante varias semanas. Muchos astrónomos europeos lo estudiaron, sobre todo aquellos que vivían bajo el mecenazgo de nobles y monarcas deseosos de conocer los presagios que el cometa anunciaba. Entre ellos, el astrónomo danés Tycho Brahe comprobó, con observaciones precisas y sistemáticas, que el cometa debería estar atravesando las hipotéticas esferas cristalinas. Llegó a una conclusión contundente: las esferas no existían.

El cometa de 1577 en un grabado de Jiri Daschitzski, Praga, Petrus Codicilius en Tulechova, 1577. Cortesía de la Zentrlabibliothek Zürik.

 

Predecir y confirmar

A principio del siglo XVII, Johannes Kepler, que fue discípulo de Brahe, justificaría de manera empírica los movimientos de los planetas, mediante sus famosas tres leyes. Pero sería Isaac Newton quien, con la ley de gravitación universal, explicara, en el marco de una teoría de la gravedad, los movimientos de los astros. El reloj de Newton parecía funcionar con enorme precisión: los movimientos celestes se podían predecir y, lo que resultaba más satisfactorio, ocurrían tal y como se habían predicho. Así, Edmond Halley, el astrónomo y mecenas que financió la publicación de los Principia de Newton, utilizó las leyes allí descritas para calcular cuándo y dónde volvería el cometa que hoy lleva su nombre. Aunque falleció muchos años antes del regreso del astro, este cumplió puntualmente su cita y fue observado por el astrónomo aficionado alemán Johann Georg Palitzsh la noche del 25 de diciembre de 1758. Cuatro semanas más tarde y, de manera independiente, lo observó Charles Messier desde París. ¡Todo un triunfo de la física newtoniana!

Cuando en 1781 William Herschel descubrió, un poco por casualidad, el planeta Urano, muchos astrónomos se apresuraron a estudiarlo con detalle. Pronto se hizo evidente que presentaba algunas anomalías en su órbita respecto a las predicciones de la teoría gravitatoria de Newton. El astrónomo francés Urbain Le Verrier afirmó en 1846 que Urano se habría acelerado primero para más tarde ralentizarse en su órbita si se comparaba con las predicciones de Newton (considerando en ellas las perturbaciones de los grandes planetas como Júpiter y Saturno). Así que Le Verrier y, de forma independiente, el inglés John Couch Adams recurrieron a una materia oscura para explicar estas observaciones: debería existir un planeta no visto hasta la fecha, más allá de la órbita de Urano que produjera esas anomalías. Le Verrier calculó dónde se debía encontrar. Allí apuntó su telescopio Johann Galle del Observatorio de Berlín y descubrió Neptuno en 1846: otro éxito de la mecánica celeste newtoniana. En realidad, hay que entender este descubrimiento como una detección que desvela la naturaleza de la "materia oscura" previamente postulada: un objeto desconocido que modificaba el movimiento de otro que sí observamos. El movimiento del astro observado o, más bien, su discrepancia respecto al movimiento esperado según la teoría aceptada, nos lleva a postular la existencia del objeto inicialmente invisible y a establecer la mejor estrategia para detectarlo. Así se hizo con Neptuno. También ayudó la suerte: Urano y Neptuno estaban cerca el uno del otro cuando todo esto sucedió; si hubieran estado en lados opuestos del Sol, no se habrían perturbado gravitatoriamente y el descubrimiento habría tenido que esperar.

Vulcano, no solo el planeta del Sr. Spock

Mercurio es otro planeta del sistema solar que presentaba anomalías, como un fantasma en el aparato de relojería de Newton. Su perihelio, el punto de su órbita más cercano al Sol, no es fijo, se desplaza lentamente cada vez que Mercurio gira en torno al Sol. Con las leyes de Newton y considerando la influencia gravitatoria de los otros planetas, se puede calcular el avance del perihelio de Mercurio, pero el resultado no coincide con las observaciones, avanza 43 segundos de arco por siglo más de lo esperado. Para explicar esta discrepancia, y después del éxito obtenido con Neptuno, el propio Le Verrier postuló la existencia de un planeta intramercurial, es decir situado entre el propio Mercurio y el Sol. Vulcano, el dios del fuego, fue el nombre que se le dio a este hipotético planeta. Este nuevo candidato de materia oscura nunca se encontró. Las predicciones de Le Verrier esta vez fallaron porque Vulcano sencillamente no existe. La explicación del avance anómalo del perihelio de Mercurio la aportó Albert Einstein en 1915 con su teoría general de la relatividad. En el marco de esta teoría gravitatoria se explican satisfactoriamente esos 43 segundos de arco de discrepancia respecto a la teoría newtoniana. Resulta interesante hacer notar que veinte años antes, los americanos Simon Newcomb o Asaph Hall intentaron modificar ligeramente las leyes de Newton en la proximidad del Sol para explicar la anomalía. Sus modificaciones estaban equivocadas, pero acertaron en que la solución vendría no del lado oscuro, sino de un cambio de paradigma teórico.

 

Ondas gravitacionales

Einstein también postuló la existencia de las ondas gravitacionales. En relatividad general, la gravitación es consecuencia de la deformación del espacio-tiempo que produce la presencia de materia y energía. Como explica John Wheeler en el aforismo que mejor resume la relatividad: "el espacio-tiempo le dice a la materia cómo moverse; la materia le dice al espacio-tiempo cómo curvarse". Así, si la Tierra gira alrededor del Sol no es porque exista una fuerza que actúe a distancia como decía Newton; la relatividad explica que el Sol deforma el espacio-tiempo, como haría una pesada bola de bolera dejada caer sobre una cama elástica. Del mismo modo, objetos de gran masa y que se muevan muy rápidamente producirán sutiles oscilaciones del tejido del espacio-tiempo: son las ondas gravitacionales.

El interferómetro LIGO en Livingston, Louisiana. Hay otro igual  en Hanford, Washington. Crédito: LIGO Laboratory.

Aunque Einstein no estaba convencido de que pudieran llegar a detectarse, 100 años después de que postulara su existencia, un equipo internacional formado por más de 1000 científicos e ingenieros lo ha conseguido. Para hacerlo han utilizado un interferómetro de Michelson, bastante más grande que el original de 1887. Los dos brazos de LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) miden 4 kilómetros y por su interior viajan, en direcciones perpendiculares, láseres que al recorrer la misma distancia no crean un patrón de interferencia cuando se analizan en el detector. El 14 de septiembre de 2015, el eco de la colisión de dos enormes agujeros negros situados a mil trescientos millones de años luz de la Tierra, alcanzó nuestro planeta en forma de ondas gravitacionales. Estas produjeron una deformación de los brazos de LIGO, de modo que uno se estiró y el otro se encogió. Eso sí, ligerísimamente: el experimento es capaz de detectar cambios en la longitud de los brazos del interferómetro de una diez milésima parte del diámetro de un protón, es decir, 10-19 metros. Esa pequeñísima diferencia en la distancia recorrida por la luz láser en cada brazo produjo una interferencia que ha significado, por fin, la detección de ondas gravitacionales.

El lado "más oscuro" del universo

Hace más de ochenta años que en cosmología se habla de materia oscura. La estabilidad de los cúmulos de galaxias y de las propias galaxias no se puede explicar con la física que conocemos y aceptamos como válida sin recurrir a la idea de un universo dominado por el lado oscuro. El astrónomo de origen suizo, pero afincado en California, Fritz Zwicky intentó, en los años treinta del siglo pasado, determinar la masa de los cúmulos de galaxias y llegó a la conclusión de que, dadas las velocidades a las que se desplazan las galaxias en su seno (como las abejas en un enjambre), la única forma de explicar que el cúmulo no se disgregara en el espacio era que existiera una gran cantidad de materia no visible que lo mantuviera ligado por efecto gravitatorio. Postuló, una vez más, la existencia de materia oscura (y ahora sí se llamó de este modo). Su contribución a la masa total del cúmulo sería muy superior a la suma de la masa de las galaxias que lo componen.

Más de cuarenta años después, Vera Rubin y su grupo de investigación analizaron las velocidades de rotación de las estrellas en torno al núcleo galáctico en galaxias espirales. Comprobaron que no disminuían con la distancia al centro galáctico como sí lo hacen las velocidades de rotación de los planetas alrededor del Sol. Si la mayoría de la masa estelar galáctica se encuentra próxima el núcleo, cabe esperar que las velocidades disminuyan con la distancia (por la tercera ley de Kepler). El hecho de que estas velocidades permanezcan constantes a distancias muy alejadas del centro galáctico obliga a considerar que existe masa no visible en un halo galáctico formado por materia oscura.

Otras pruebas de la existencia de materia oscura en los cúmulos de galaxias se obtuvieron analizando imágenes de algunos cúmulos que magnifican y distorsionan la luz procedente de objetos remotos, actuando como potentes lentes gravitatorias. También es necesaria la materia oscura para explicar las potentes emisiones en rayos X que emite el gas caliente que está atrapado en su interior. En definitiva, los físicos y los astrónomos están convencidos de que la materia oscura es fundamental para mantener la estabilidad del modelo cosmológico actual, del mismo modo que los griegos y los astrónomos del Renacimiento estaban convencidos de la existencia física de las esferas cristalinas o Le Verrier de la existencia de Neptuno y Vulcano. ¿Cuál será el desenlace? La materia oscura cosmológica ¿se encontrará finalmente? o ¿será una idea que deba marchitar como la de las esferas de Eudoxo? ¿Será un Neptuno que se descubrirá algún día? o, por el contrario, ¿será un Vulcano que no existe y se hará necesario modificar la física que conocemos? Existen teorías que modifican la gravedad newtoniana para explicar las curvas de rotación planas de las galaxias espirales sin necesidad de recurrir a la materia oscura, pero que no son tan satisfactorias para explicar la dinámica de los cúmulos de galaxias.

WIMP

Más del 80 % de la materia del universo es oscura. Además, el lado oscuro se completa con la contribución todavía más misteriosa de la energía oscura. La supersimetría, que extiende el modelo estándar de la física de altas energías, predice la existencia de partículas con las propiedades que debería tener la materia oscura; son las llamadas WIMP por su sigla en inglés (weakly interacting massive particles). Si las WIMP existen merecen ser descubiertas. Hay dos formas de detectar WIMP: directamente, viendo los efectos que producen cuando ocasionalmente chocaran con un núcleo atómico en el detector de un laboratorio subterráneo, o indirectamente, mirando el cielo con telescopios especiales que son capaces de detectar los subproductos (por ejemplo rayos gamma) que aparecen cuando un gran número de WIMP colisiona aniquilándose mutuamente.

Interior del túnel del LHC en el CERN. Foto: Maximilien Brice - © 2009 CERN

Detectives en busca de pistas

El Large Hadron Collider (LHC) del CERN en Ginebra no ha descubierto WIMP todavía, pues seguramente han escapado de sus límites de detección; pero ahora que el acelerador se ha reactivado con mucha más energía podría dar con ellas, o al menos sus colisiones podrían llevarnos a inferir la existencia de candidatos a materia oscura. Muchos físicos en todo el mundo trabajan para ello. Recientemente el Large Area Telescope a bordo del satélite espacial Fermi ha detectado un exceso inesperado de rayos gamma proveniente del centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea. Si este exceso se debiera a la aniquilación de materia oscura, se podría calcular el rango de masas que tendría la partícula candidata. El resultado es una masa detectable directamente en el LHC, aunque todavía no se ha visto nada. Incluso, la no detección sería un resultado interesante porque ayudaría a entender cómo interacciona la materia oscura. En cualquier caso, hay que ser cautos, ya que el exceso de rayos gamma también podría proceder de otras fuentes astrofísicas, como por ejemplo una población de púlsares con períodos de milisegundos. La búsqueda es detectivesca, pero el resultado puede sorprendernos y, el día menos pensado, podría obtenerse una detección positiva de materia oscura. Mientras tanto, los físicos actúan con la estrategia de Sherlock Holmes: «cuando todo aquello que es imposible ha sido eliminado, lo que quede, por muy improbable que parezca, es la verdad».