Materia y energía oscura: guía para perplejos

Miguel Santander García / 05-06-2009

Dar un paseo y contemplar el cielo estrellado es a menudo el origen de una apasionante conversación. O de una encerrona en la que uno se siente contra las cuerdas, al límite de su capacidad para explicar al profano cuestiones que él no llega a entender del todo (o que no entiende en absoluto). Algo a mitad de camino fue lo que me sucedió recientemente:

- Oye, el otro día oí en la radio nosequé de que la mayor parte de la materia del Universo es materia oscura... - dice mi amigo mientras miramos el cielo.

- ¿Ah, sí? Claro, con esto del Año Internacional de la Astronomía...

- ¿Y eso qué es? - dispara a bocajarro.

- ¿El qué? ¿el Año Intern...? -contesto, sin perder aún la esperanza.

- No, hombre, la materia oscura.

Suspiro, resignado. En este tema me declaro casi tan perplejo como mi interlocutor. Mis dedos se deslizan con rapidez por el teclado del teléfono móvil. Esta vez necesitaré la caballería.

- Hombre, hasta donde yo sé, que no es mucho, es materia que no interacciona con la radiación electromagnética. Es decir, que no absorbe ni emite luz alguna - comienzo mientras pulso la tecla de enviar. La espera será dura.

Mi amigo se encoge de hombros.

- Ah, o sea que sólo es materia de color negro, ¿no? - se señala la camiseta -. El negro no refleja luz alguna...

- El negro no refleja la luz visible - niego con la cabeza -, pero eso no quiere decir que no interaccione con la radiación electromagnética. Si pudieras ver en el infrarrojo verías cómo brilla: toda la materia que conocemos absorbe radiación electromagnética a unas longitudes de onda y emite en esas mismas, o en otras. Los objetos emiten, por ejemplo, según su temperatura: si apagas la luz no verás las barras de un horno, pero cuando están al rojo vivo brillan precisamente con ese color. Y lo mismo pasa con las estrellas, brillan con luz roja o amarilla, o incluso azul las más calientes. Y gracias a que emiten, ya sea en rayos X, ultravioleta, visible, infrarrojo, microondas o radio, podemos verlas y estudiarlas.

- Ah, ya entiendo. Pero la materia oscura no es visible, en ninguna de esas longitudes de onda...

- Eso es.

- Como los agujeros negros...

Alzo las cejas, sorprendido por la rápida asociación.

- Bueno... pues sí, como los agujeros negros.

- Entonces la materia oscura podrían ser los agujeros negros.

- ¡Ten en cuenta que estamos hablando de la mayor parte de la materia del Universo! Una pequeñísima parte, sí, podrían ser objetos como agujeros negros y enanas marrones aisladas muy frías, pero...

- Define enana marrón.

- Una enana marrón es un objeto a mitad de camino entre un planeta y una estrella, que no acumuló la suficiente materia como para llegar a encenderse.

- ¿Una estrella y un planeta sólo se diferencian en la cantidad de materia? - dice frunciendo el ceño.

- Básicamente, sí. ¿Te acuerdas de lo que ocurría con Júpiter en "2010, Odisea dos"? Pues justamente eso.

Asiente despacio.

- Pero no nos vayamos por las ramas – continúo -. Hay evidencias muy fuertes, como la formación de núcleos en el Universo primitivo, por ejemplo, que indican que la inmensa mayoría de la materia oscura es...

- Diferente -concluye él.

Ahora soy yo quien se encoge de hombros.

- Sí. Tiene que serlo.

- ¿Es entonces como la religión? - contesta, casi molesto -, ¿lo que queramos que sea? ¿Es una cuestión de creencia?

- No. Aunque a primera vista pudiera parecer una cuestión de creencia, la principal característica de la ciencia es que se basa en la naturaleza observable, medible. La materia oscura tiene propiedades establecidas, se comporta de una manera determinada, y debe producir efectos medibles. Debe tener consecuencias que podamos observar con la instrumentación adecuada.

- ¿Ah, sí? ¿Y cuáles son esos efectos?

- Pues, aunque no interacciona con la radiación, sigue siendo materia, por lo que debe ser sensible a y afectada por la gravitación.

- ¿Y cuáles son las pruebas de su existencia?

Respiro hondo y miro el reloj, inquieto. Siento como si estuviera caminando sobre un lago helado, a punto de patinar... o algo peor.

- Bueno, ahora mismo sólo recuerdo una o dos - digo despacio -. Resulta que las estrellas en la periferia de las galaxias espirales orbitan en torno al centro mucho más rápidamente de lo que la ley de la gravitación predice, como si más de la mitad de la materia de la galaxia fuera... justamente eso, oscura, y estuviera dispuesta en un halo uniforme en torno al centro.

- Ya...

- Y lo mismo pasa con las velocidades de las galaxias en los cúmulos de galaxias: resulta que si cuentas toda la masa de las estrellas y el gas visibles, te sale varias veces menos que si la infieres a partir de las leyes orbitales de Kepler (una versión de la ley de gravitación Universal de Newton, en definitiva).

Mi amigo guarda silencio por un momento, y luego vuelve a la carga.

- ¿Sabes? Tendrás que esforzarte más para convencerme de que "haberla, hayla". Por lo que has dicho, podría ser que la ley de gravitación sea algo diferente a escala astronómica, que haya que corregirla...

- Escéptico hasta la médula... - comento con una sonrisa - ¡Veo que tienes espíritu científico y que no me dejarás irme de rositas fácilmente! Pues mira, eso es precisamente lo que proponen las teorías MOND (Modified Newtonian Dynamics), que sustituyen la relación newtoniana entre fuerza y aceleración de manera que la diferencia en el Sistema Solar no se note, pero a escala galáctica la cosa es muy diferente. Y la verdad es que me gusta. Es elegante.

- ¿Entonces, qué más quieres? ¿No dice la navaja de Occam que no hay que multiplicar los entes sin necesidad?

- Y esas teorías estarían muy bien - dice entonces una voz a mis espaldas - si consiguieran explicar las anisotropías del Fondo Cósmico de Microondas.

Justo a tiempo.

Lo bueno de vivir en un lugar lleno de astrofísicos es que siempre hay cosmólogos entre ellos dispuestos a acudir a un mensaje de SOS. Son seres peculiares; sobre todo este amigo mío, de quien se decía que se habría casado con una galaxia, de haber habido alguna cerca.

- ¿Las anisotro-qué? ¿El Fondo del Microondas? ¿Pero qué dices?

- El Fondo Cósmico de Microondas - traduzco mientras el cosmólogo se apoya en un árbol cercano y mira hacia el cielo, quizás imaginando dónde están las galaxias que estudia, invisibles a simple vista - es una radiación electromagnética muy tenue y fría (corresponde a un cuerpo a unos 3ºC sobre el cero absoluto). Se observa en todas direcciones, y tú mismo lo puedes ver, mezclado con el ruido electrónico en la "nieve" del televisor, cuando no hay ningún canal sintonizado. Creemos que este fondo es un residuo del Big Bang.

- Vaya - musita mi amigo -, no tenía ni idea...

- El caso - continúo, reconfortado por la presencia del recién llegado - es que el Fondo Cósmico de Microondas es prácticamente igual en todas direcciones. Prácticamente. Porque en realidad, como demostraron las sondas COBE y WMAP, presenta grumos minúsculos, de amplitudes muy pequeñas a escalas angulares de aproximadamente 0,2º, que sólo son explicables mediante un modelo de Big Bang donde la mayor parte de la materia del Universo sea oscura.

- Por no mencionar que la materia oscura ya se observó en 2006 - añade el cosmólogo.

- Pensaba que no se podía ver...

- Se refiere a la detección directa de sus efectos - aclaro.

- Sí, cartografiando la distribución de materia del cúmulo de Bala mediante lentes gravitatorias... -comenta el otro con aire distraído.

- ¿Lentes gravitatorias?

- Sí. - me dispongo a explicar -. Verás, la luz se curva al pasar cerca de objetos masivos, de manera que la luz procedente de objetos aún más lejanos puede llegar por varios caminos, rodeando el objeto en cuestión. El caso es que mediante este efecto, predicho perfectamente por la Relatividad General, podemos conocer con mucha precisión la masa del objeto que actúa como lente, y cómo está distribuida.

- De acuerdo.

- El cúmulo de Bala consta de dos cúmulos de galaxias que chocaron hace 150 millones de años. Resulta que al comparar la distribución de materia hallada por lentes gravitatorias con la localización de la materia visible (galaxias y gas), vieron que la mayor parte de la masa del cúmulo se hallaba distribuida difusamente en las zonas externas: materia oscura que, junto con las estrellas de las galaxias, atravesó sin problemas la zona de impacto en ambas direcciones, justo como atraviesa la luz del Sol una ventana, mientras que todo el gas intergaláctico se frenó considerablemente, quedando cerca del centro.

- Sí, así es la vida... - se encoge de hombros, ahora, el cosmólogo - vivimos en un Universo donde el 23% de todo lo que existe es materia no bariónica...

- Bueno, al menos el 77% restante es materia... normal, ¿no?

- ¿77%? No hombre, no, sólo el 5% es materia bariónica. Perdón, materia "normal" para ti - contesta mi colega con algo de condescendencia.

- Suman 28%... - murmura el otro, inseguro -. Y entonces, ¿el resto?

El cosmólogo se vuelve entonces hacia mí, atónito.

- Pero Miguel, ¿aún no le has hablado de la energía oscura? En fin, estos estelares...

- Ya he sudado la gota gorda defendiéndome hasta que llegaste, e interpretando tu complejo mundo interior después, como para...

- Vosotros dos, dejad de pelearos. ¿Me vais a decir qué es la energía oscura o se lo pregunto al capitán de la nave del misterio?

- Perdona - me recompongo -. El 72% restante del Universo es energía oscura...

- Un momento. ¿No decía la Relatividad de Einstein que materia y energía son lo mismo?

- Más bien, que son... las dos caras de la misma moneda. Pero "materia oscura" y "energía oscura" son diferentes porque tienen ecuaciones de estado (las que relacionan la presión con la densidad de energía) muy diferentes.

- Vale, aceptamos "energía oscura" como nombre, pero ¿qué es, realmente?

- Pues se trata de un campo difuso que nos rodea, llenando todo el espacio.

- ¿Como la Fuerza de Star Wars?

Sonrío.

- Bueno, algo así pero al contrario (y sin ningún componente místico, naturalmente). Lo que hace la energía oscura no es conectar las cosas, sino repelerlas. Contribuir a la expansión acelerada del Universo.

- ¿Cómo?

- Energía positiva y presión negativa dominante, amigo - dice mi colega de profesión -. O energía del vacío, como prefieras llamarlo.

- El propio espacio vacío, por el mero hecho de existir, tiene una cierta energía - explico ante la cara de perplejidad de mi amigo -, que en esencia se manifiesta en forma de presión negativa... Imagínate que tenemos un muelle. Al comprimirlo, el muelle almacena energía mecánica que intenta liberar estirándose. Pues algo parecido le pasa al vacío.

- Increíble... ¿y hay pruebas de eso también?

- Sí -dice el cosmólogo -. Las observaciones de supernovas muy lejanas en 1998, que demostraron que la constante de Hubble aumenta aceleradamente con el tiempo...

Mi amigo pone cara de incomprensión de nuevo. Intervengo:

- La constante de Hubble es una medida del ritmo de expansión del Universo. Hasta 1998 se pensaba que la expansión del Universo se estaba frenando lentamente debido a la atracción gravitatoria de toda su masa. La cuestión era si esa masa sería bastante como para frenar en absoluto la expansión, o la justa como para llegar a un equilibrio, o incluso tanta como para hacer que el Universo entero colapse de vuelta a su origen, en un Big Crunch. Sin embargo, ahora sabemos que el Universo se expande cada vez más rápidamente, ¡por lo que algo ha de estar proporcionándole esa aceleración!

- La energía oscura...

- Parece que Einstein no se equivocó al equivocarse, después de todo.

- ¿Eh?

- Lo que quiere decir mi críptico colega aquí presente es que, matemáticamente, la energía oscura se expresa en las ecuaciones de la gravitación (que aplicadas al Universo dan cuenta de su geometría y expansión) en un término llamado "constante cosmológica". Curiosamente, fue el mismo Einstein quien introdujo esta constante en sus ecuaciones para "compensar" la gravedad y llegar a un Universo estático, el que se creía entonces. Y cuando Hubble demostró que el Universo en realidad se expandía, Einstein desechó dicha constante como "el mayor error de su carrera"...

Mi amigo se queda unos instantes pensativo, mirando al cielo.

- No sé por qué - dice al fin -, pero todo esto me suena a nombres puestos para espantar nuestra ignorancia... ¿No podría ser que dentro de cincuenta años tengamos otras teorías distintas sobre todo esto, y nuestra concepción actual nos parezca hasta ingenua...?

- Probablemente. Pero eso es lo bueno de la ciencia: si la nueva observación contradice la teoría, la teoría se descarta, y se busca otra. Y nadie se rasga demasiado las vestiduras. Lo que sin duda habrá será nuevas preguntas, y nuevas respuestas que nos dejen aún más perplejos.

- Vaya, ¡justo como con las respuestas de tu colega el cosmólogo!

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El autor

Miguel Santander García es Doctor en Astrofísica e investigador postdoctoral en el Observatorio Astronómico Nacional. Escribe ciencia-ficción, a finales de año se publica su primera novela "La Costilla de Dios", y mantiene el blog "Tras el horizonte de sucesos".

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