“Pregúntale al astrónomo”: ¿qué es la materia oscura?

Por

por Néstor Espinoza*

Hoy respondemos una de las (¡muchas!) preguntas que salieron a raíz del post “Pregúntale al astrónomo”. En este caso, respondemos la pregunta de Nancy Díaz, que preguntó cómo es posible que exista una “materia oscura” si hay suficiente luz en el universo como para iluminarlo todo.

La pregunta de hoy, formulada por Nancy Díaz es, en el fondo, la pregunta que tenemos muchos astrónomos: ¿qué es, exactamente, esta “materia oscura” de la que se habla mucho en astronomía? Para comprender la pregunta, primero debemos comprender de dónde viene el concepto. Y, créanme, la historia es fascinante.

Probablemente, el punto en donde parte la historia en términos de evidencia empírica fue en 1933, con el astrónomo Fritz Zwicky. Zwicky, en ese entonces, estaba estudiando cómo se movían las galaxias en los llamados “cúmulos de galaxias”, que son agrupaciones enormes de varias galaxias que están ligadas gravitacionalmente. En particular, estaba estudiando el llamado cúmulo de Coma, ubicado en la constelación de Coma Berenices. La razón para estudiar el movimiento de las galaxias en este cúmulo era fascinante: este baile cósmico entre galaxias te relata cuán masivo es el cúmulo, dado que conoces el tamaño del mismo (que se puede medir observacionalmente). Si hay mucha masa, entonces las galaxias alcanzarán, en promedio, grandes velocidades. Si hay poca masa, la velocidad que alcanzan las galaxias va a ser, en promedio, pequeña. Lo sopresivo para Zwicky fue que las velocidades que alcanzaban las galaxias en el cúmulo eran enormes, lo que implicaba que la masa total del cúmulo era enorme. El problema era que, si sumabas toda la masa de todas las galaxias del cúmulo observables desde la Tierra, no te alcanzaba para reproducir la masa que daba pie a las grandes velocidades que alcanzaban las galaxias en el mismo. En otras palabras, había mucha más masa que objetos brillantes en este cúmulo. Esto llevó a Zwicky a concluir que había algo raro con el cúmulo: quizá los supuestos en sus cálculos estaban equivocados, o quizá las leyes de la física funcionan distinto en ese cúmulo distante. Asombrado y sin respuesta, Zwicky llamó a esta materia “extra” que no podíamos ver y que daba lugar a estas excepcionales velocidades como dunkle Materie, que en alemán significa “materia oscura”.

El concepto quedó instaurado y sin respuesta en la astronomía y astrofísica moderna, pero no había mucho que hacer al respecto. Muchos astrónomos y astrofísicos eran, de hecho, escépticos al concepto mismo y a los resultados de Zwicky y plantearon infinidad de posibilidades: quizá la materia que no vemos son galaxias que, simplemente, nuestros instrumentos no observan, o son objetos astronómicos masivos que, simplemente, no emiten (mucha) luz (agujeros negros, por ejemplo). Necesitábamos más evidencia. Y aquí es donde entra la famosísima astrónoma Vera Rubin.

Vera Rubin se dedicó durante gran parte de su vida al estudio de la rotación de estrellas en galaxias. Pero encontró algo muy, muy extraño. Para explicar el movimiento de las estrellas alrededor de varias galaxias (conocidas como “curvas de rotación” en la jerga astronómica), necesitabas, al menos, diez veces más masa que la observada. El movimiento de las estrellas, además, era distinto al pensado asumiendo una masa central: era como si hubiese materia distribuída alrededor de la galaxia, formando un halo, pero un halo de materia que no vemos. Aquí estaba el link: en 1970, Vera Rubin demostró que esto era evidencia irrefutable de que había algo más. Tiene que existir materia que simplemente no vemos, y esto podía explicar no solo el movimiento de las estrellas en las galaxias, sino que además el movimiento de las galaxias en cúmulos de galaxias. Tal como Newton unió la gravedad observada en la Tierra, con el movimiento de los astros alrededor del Sol, Vera Rubin logró unir un concepto observado en galaxias cercanas con el movimiento en cúmulos de galaxias lejanos. La “materia oscura” de Zwicky era una realidad.

Pero, ¿qué es esta materia oscura? A la fecha, no tenemos idea. Sabemos, eso si, qué no es. Sabemos, por ejemplo, que no son agujeros negros ni otros objetos que emiten poca luz y que, a su vez, son compactos (el proyecto MACHO, de hecho, descartó empíricamente estas posibilidades). Por tanto, no es materia que conozcamos (a la que usualmente denominamos “materia bariónica” en la jerga astronómica). Es otro tipo de materia, que tiene que tener una característica muy especial: es un tipo de materia que, simplemente, no interactúa ni emite luz (o si lo hace, lo hace a niveles indetectables para nuestros instrumentos). Muchos físicos teóricos están trabajando en tratar de resolver este gran problema de la astrofísica moderna. Sin duda, la persona que de con la respuesta se podría llevar no solo el Nobel de Física sino que, además, nuestra gratitud por despejar de la mente esa duda que a muchos no nos deja dormir muy bien. Esa duda sobre qué es, exactamente, la materia oscura.

*Néstor Espinoza – Astrónomo (PUC), Candidato a Doctor en Astrofísica (PUC) e Investigador del Instituto Milenio de Astrofísica (MAS) – @nespinozap

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