Simulación de materia oscura. Crédito: Millenium Simulation, MPA Garching, V. Springel, S. White et al.
Últimamente, cuando se habla del Universo y de qué está compuesto, no dejamos de escuchar los términos energía oscura y materia oscura, etiquetas evocadoras de una naturaleza de lo más misteriosa. Hace poco abordamos la energía oscura «en cristiano»; hoy le toca el turno a su prima, la materia oscura. Si a usted ‘materia oscura’ le suena a canción de Muse o a saga de fantasía, siga leyendo.
Algo que no cuadra
Las galaxias —incluida la nuestra, la Vía Láctea— son islas en un océano de gas muy difuso y vacío cósmico, en el que cientos de miles de millones de estrellas se arremolinan, girando en torno a un núcleo común. Sin embargo, hace tiempo se observó que las estrellas de la periferia no «circulan» a la velocidad que deberían. En cambio, lo hacen como si hubiera una gran masa en los alrededores que modificara sus órbitas. El único problema es que esa masa no se observa. Es como si fuese invisible.
A las galaxias les ocurre tres cuartas partes de lo mismo. Orbitan las unas alrededor de las otras en enormes cúmulos o agrupaciones de galaxias, pero lo hacen a una velocidad diferente a la esperada, como si también estuviesen afectadas por una gran cantidad de esa masa invisible*.
A esa materia que se necesitaba pero que no parecía estar ahí se la denominó materia oscura. Para que los cálculos cuadren, la materia oscura ha de ser casi cinco veces más abundante que la materia ordinaria (en concreto, el 5% de todo lo que hay en el Universo sería materia ordinaria, el 23% materia oscura y el 72% restante energía oscura; ¡en efecto, no somos nada!). Y —al menos hasta ahora— suponemos que la materia oscura se encuentra distribuida en una especie de halo difuso alrededor de cada galaxia, anclada a ella, acompañándola allá donde va.
*(Por supuesto, hay otras hipótesis, como las teorías MOND, pero no explican cosas fundamentales que la materia oscura sí explica, como la radiación de fondo de microondas, así que no las consideraremos aquí.)
¿Qué es la materia oscura?
La materia oscura es aquella materia que, a diferencia de la materia ordinaria, no interacciona con la radiación electromagnética. Genial, pero, ¿qué demonios quiere decir esto?
La radiación electromagnética es una onda que se propaga a la velocidad de la luz y que, dependiendo de la distancia entre dos crestas consecutivas —o longitud de onda—, se manifestará ante nosotros como lo que llamamos luz visible, o como rayos X, o como luz ultravioleta, o infrarroja, o como ondas de radio, etc. (en efecto, la luz y los rayos X sólo se diferencian en su longitud de onda, o en otras palabras, su energía).
Centrémonos por ahora en la luz visible. Cuando iluminamos un objeto, sabemos de qué color es en función de qué radiación luminosa absorbe y cuál refleja. Así, un tomate es rojo porque refleja las longitudes de onda rojas, que llegan a nuestros ojos, y absorbe todas las demás. La nieve, en cambio, es blanca porque refleja todas las longitudes de onda, y la suma de colores produce el blanco en nuestros ojos (o cerebros, mejor dicho). Y el carbón es negro porque absorbe la luz de todas las longitudes de onda, y no refleja ninguna.
¿Quiere esto decir que la materia oscura es, simplemente, de color negro? Ni mucho menos. El negro no refleja la luz, pero la absorbe, y eso se nota. Todos nos hemos puesto en alguna ocasión una camiseta de color negro bajo un sol de justicia, y hemos comprobado la enorme diferencia que hay con una camiseta blanca: la luz absorbida calienta la camiseta negra y nos hace desear haber escogido una tribu urbana con una gama cromática más amplia.
La vida del heavy es muy dura en verano...
Porque, además de reflejar y absorber, la materia ordinaria también emite radiación electromagnética de manera espontánea, simplemente por estar a una determinada temperatura —esto es lo que se conoce como emisión de cuerpo negro. Cuanta mayor sea la temperatura, a menor longitud de onda (colores más azules) ocurrirá dicha emisión. Si ponen el horno a 250° y apagan la luz de la cocina, verán que las barras de hierro brillan en la oscuridad con un tono rojizo. Están “al rojo vivo”. Y si lo pudiéramos calentarlo bastante más, podríamos llegar a verlo amarillo, naranja, y luego azul. Y lo mismo les pasa a las estrellas, que su color depende de la temperatura de su superficie.
¿Y qué hay de la camiseta negra? Pues que también emite, solo que está demasiado fría como para brillar en el espectro visible, y lo hace en el infrarrojo. Con unas gafas infrarrojas como el visor de Depredador, veremos la camiseta brillar con luz propia, y hasta podremos distinguirla de la camiseta blanca, que está ligeramente más fría. Pero la materia oscura tampoco emite, ¡a ninguna longitud de onda!
En resumen: que la materia oscura, ni refleja, ni absorbe, ni emite, ni nada. La luz “mira hacia otro lado” y se comporta como si la materia oscura no existiese, excepto por un detalle: la materia oscura sigue siendo materia y, tal como predice la Teoría de la Relatividad General, es capaz de curvar el camino de la luz en sus cercanías.
Entonces, ¿Cómo se sabe que existe?
La esquina del ojo izquierdo aparece duplicada por efecto de la lente.
La clave se encuentra en este detalle: la materia es capaz de curvar la trayectoria de la luz. Y si hay suficiente materia concentrada en un sitio, podrá hacer las veces de lente gravitatoria, y hacernos llegar la luz de un objeto situado tras ellas por duplicado.
Una lente gravitacional curva el camino de la luz de manera que los objetos tras ella aparecen duplicados y como provinientes de dos direcciones muy diferentes.
Este es el caso del cúmulo de Bala, la mejor prueba actual de la existencia de materia oscura. Este cúmulo es en realidad el resultado del choque de dos cúmulos de galaxias, que ocurrió hace 150 millones de años. Ambos cúmulos se atravesaron; el que está a la izquierda venía de la derecha, y viceversa. Las galaxias se cruzaron como se cruzarían las flechas lanzadas por dos ejércitos enfrentados: casi sin enterarse. El gas difuso que rodeaba a las galaxias y llenaba el cúmulo, en cambio, chocó como chocan dos grandes masas de aire en la atmósfera, y se frenó, quedándose retrasado (rojo en la imagen).
El cúmulo de Bala, resultado del choque de dos cúmulos de galaxias. El gas (en rojo) se frenó en la colisión, mientras que las galaxias atravesaron como si nada. El grueso de la masa (en azul) se encuentra distribuida de forma difusa alrededor de las galaxias y anclada a ellas: ¡es materia oscura!
¿Y el azul de la imagen? El azul es la distribución de masa que puede deducirse del fenómeno de lente gravitatoria debido a los dos cúmulos de galaxias, que amplifican y “duplican” la luz de las galaxias que están en la línea de visión pero mucho más lejos. El grueso de la masa, según vemos, no está confinada en las galaxias, ::sino difuminada por todo el cúmulo::. Esta gran masa difusa podría atribuirse a una cantidad ingente de gas, si no fuera porque el gas fue barrido en la colisión y está localizado en rojo. ¿Conclusión? ¡Esa distribución azul nos indica que ahí hay (mucha) materia oscura!
Extra: sí, pero no
Todo lo anterior nos hacía estar bastante seguros de que la materia oscura no sólo existía, sino que se hallaba firmemente anclada a los cúmulos de galaxias, y no se frenaba en las colisiones, como le ocurre al gas.
Imagen del cúmulo Abell 520. La distribución de masa, que indica la presencia de materia oscura, está en azul. Al contrario que en el cúmulo de Bala, ¡aquí se desanclado de las galaxias y parece vagar libremente!
Hasta ahora. Hace unas semanas se publicó una imagen de otro choque de cúmulos de galaxias, Abell 520,en los que la materia oscura está ahí, sí, ¡pero se frena en la colisión y se queda rezagada, es decir, se comporta al contrario que en el cúmulo de Bala!
Ni que decir tiene que esto tiene a los científicos bastante perplejos, intentando explicarlo. ¡Sirva esto como otro ejemplo de que la ciencia se reinventa a sí misma continuamente!
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Tras el horizonte de sucesos 
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Muchas gracias por el artículo, es tan bueno q he comenzado entender la radiación de un cuerpo negro O_0
Nos vemos
¡Me alegro, TixolO!
La materia oscura se sabe que existe, pero no hay tecnologìa para contactarla por lo menos a distancias no tan macro, lo ùnico que podemos percibvir de ella es su efecto, como las lentes gravitacionales por la condiciòn de curvar la luz tras de ella.
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En contra del anacrónico mundo «científico» plagado de misterios:
Aunque se incomoden los más ortodoxos…
La Energía Oscura es la fuerza centrifuga del Universo rotando sobre si mismo. Muy pronto sabremos que: La gravedad crea energía, la energía crea materia, el Universo crece y no solo se expande aceleradamente. Al incrementarse la masa de los cuerpos celestes se aumenta su atracción gravitacional y se incrementa su velocidad orbital y su diámetro orbital para no colisionar y así se expande el volumen del Universo. Así como la luna se aleja de la tierra, permanentemente se separan todos los cuerpos celestes unos de otros.
La gravedad crea la supuesta «Energía Oscura» que expande al Universo y esa energía crea la supuesta «Materia Oscura» que se encuentra acumulada en los agujeros negros que también existen al interior de casi todos los cuerpos celestes.
La gravedad es la Energía Madre que hace posible a todas las demás formas de energía.
Si quieres conocer una Teoría del Universo coherente, sin misterios, sin paradojas… Solicítala gratuitamente a: martinjaramilloperez@gmail.com
En lugar de solicitarla yo gratuitamente, quizá deberías ser tú quien la enviara a alguna revista científica con revisión por pares. Dada la trascendencia de tu descubrimiento, yo me inclinaría por Nature o Science.
Suerte.
Más de 40 o 50 años sin que aparezca la misteriosa materia oscura… ¿Y todavía damos por hecho que algo así existe de verdad, de verdad, de verdad?
¿Qué quieres decir exactamente con “sin que aparezca”? Que no podamos verla directamente a través de un telescopio no implica que no exista. En cambio, que podamos medir sus efectos gravitatorios, tal como se ha hecho de diferentes modos independientes, es un indicio de que sí existe.
Todavía si me dijeras la energía oscura, que es algo mucho más vago y apoyado por bastantes menos datos observacionales…
Gracias por tu respuesta. No sé muy bien si la radiación cósmica de fondo «demuestra» algo sobre la materia oscura. Tengo que pensar un poco mejor lo que leí sobre las ondas de sonido que afectaron a la materia primitiva cuando comenzó a formar núcleos más densos. Al parecer debieron de producirse oscilaciones del medio que afectaron a la radiación de fondo, pero de ahí a que demuestre que había materia oscura pues no sé. Por lo demás, no miento, ya van cuarenta y tantos años desde que Vera Rubin destapó el problema y todo lo que se han encontrado son pruebas «indirectas» que igualmente pudieran probar otra cosa, como por ejemplo que no hemos entendido aún a la gravedad, y eso sí que es verdad. Teoría cuántica de campos y relatividad general… ¡no encajan! La teoría de cuerdas… ¡no se puede probar! Así que no, no entendemos a la gravedad, y lo último que se me ocurriría es corregir a la realidad física para que cuadre con una gravedad que «no entendemos». Yo prefiero desconfiar de la gravedad y pensar cómo debería ser para que cuadre con la realidad, y no al revés.
En ese caso, te gustarán las teorias MOND (MOdified Newtonian Dynamics), en las que hay gente trabajando (lo que pinto aquí es la visión general de consenso, pero eso no significa que todo el mundo crea que las cosas son así). Básicamente tratan de entender el asunto suponiendo que la gravedad a escalas intergalácticas no se comporta como a escalas cotidianas (para entendernos, que cambia el exponente 2 de la distancia en la ecuación de la Gravitación Universal). Échale un vistazo a esto: https://en.m.wikipedia.org/wiki/Modified_Newtonian_dynamics
(Naturalmente, no están exentas de problemas (si no, hace tiempo que habríamos abandonado la idea de la materia oscura). No logran predecir bien el movimiento de un buen puñado de galaxias “anómalas”, y no predicen asimetría alguna en el Fondo Cósmico de Microondas, a diferencia de la materia oscura, donde surgen de forma natural.)
Ya me informé un poco mejor sobre los efectos de las ondas de sonido en la radiación de fondo, y tienes toda la razón en que una gravedad modificada no lo explicaría porque tiene que haber «algo físico» en juego. Sin embargo ese «algo» no tiene por qué ser necesariamente materia nueva sino que podría ser lo que no sabemos todavía de la materia de siempre, y eso es lo que sí tendría un efecto desconocido en la gravedad. La pregunta ya no es si la física cuántica y la relatividad tienen razón, el mayor interrogante está en lo que significan, y en eso estamos igual de perdidos que hace 100 años.
Parece mentira, pero los mejores físicos y matemáticos del mundo no están mejor cualificados que los demás mortales cuando se trata de interpretar la realidad. Esta vez, yo creo que la verdad no está ni en las teorías MOND ni en la materia oscura. Esta vez no vamos a salir del pozo sin fondo en el que nos hemos caído hasta que busquemos una forma de comprender a la luz y la materia, sin paradojas, y es que nuestro mapa de la realidad acribillado de paradojas ya debería estar en la papelera desee hace 100 años. Los nuevos físicos y los nuevos divulgadores no pensáis por vosotros mismos, no os atrevéis a dudar de las lecciones rancias que nos están enseñando, espero que no te ofendas.
No me ofendo fácilmente, aunque sí me sorprende que creas que tú sí piensas por ti mismo. Y más cuando, después de haberte mostrado que la realidad del campo es muy diferente del «dogma de la materia oscura», insinuas que eso es lo que ocurre, pero no presentas una hipótesis alternativa que pueda explicar mejor la realidad. Tan solo desbarre, nada más. Lo que te está ocurriendo, y espero que no te ofendas, recuerda mucho a esto.
Vale. Ha sido un error entrar en casa ajena para criticar sus ideas o costumbres, y evidentemente no vamos a ponernos de acuerdo por mucho que lo intentemos. Disculpa. Ya te contaré cuando me den el premio Nobel con mi teoría del ¿coche de carreras en un tren? Que la buena estrella te acompañe.
Maravilloso nuestro creador, siempre sorprendiéndonos.