02

¿Qué es la materia oscura?

Estás nadando en ella

Aquí hay un gráfico de barras de la materia y la energía en el universo tal como lo conocemos:

Los físicos creen que un asombroso 27 por ciento de la materia y la energía en el universo conocido está hecho de algo llamado «materia oscura». Esto quiere decir que la mayor parte de la materia que hay en el universo no es del tipo que llevamos siglos estudiando. Hay cinco veces más de esta materia misteriosa que de la materia normal a la que estamos acostumbrados. De hecho, no es justo llamar «normal» a nuestra materia si en realidad es más bien escasa en el universo.

Entonces, ¿qué es esta materia oscura? ¿Es peligrosa? ¿Mancha la ropa? ¿Cómo sabemos que existe?

La materia oscura está en todos lados. Es más, probablemente estás nadando en ella ahora mismo. Su existencia se propuso en la década de 1920, y la tomaron en serio por primera vez en la de 1960, cuando los astrónomos notaron que había algo extraño en la forma en la que giran las galaxias y en lo que esto implicaba para la cantidad de masa que contienen.

Cómo sabemos que existe

la materia oscura

1. Galaxias giratorias

Para entender la relación entre la materia oscura y las galaxias que giran, imagínate un montón de pelotas de ping-pong en un tiovivo. Ahora ponlo a dar vueltas. Seguramente piensas que todas las pelotas de ping-pong saldrán disparadas del carrusel. Una galaxia que gira funciona casi igual.[6] Puesto que la galaxia gira, las estrellas que la forman tienden a salir disparadas. Lo único que las mantiene unidas es la fuerza de gravedad de toda la masa presente en la galaxia —la gravedad atrae las cosas con masa—. Cuanto más rápido giran las galaxias, más masa necesitas pa­ra mantener en su interior todas las estrellas. A la inversa, si conoces la masa de la galaxia puedes predecir cuán rápido puede girar.

Al principio, los astrónomos trataron de calcular la masa de las galaxias contando cuántas estrellas había en ellas. Pero cuando usaron esta cantidad para calcular qué tan rápido debían estar girando, algo no cuadraba. Las mediciones mostraban que las galaxias giraban más rápido de lo que podía predecirse mediante la cantidad de estrellas que contenían. En otras palabras, las estrellas tendrían que estar saliendo disparadas de las orillas de las galaxias, igual que las pelotas de ping-pong en el tiovivo. Para poder explicar la gran velocidad de rotación, en sus cálculos los astrónomos tenían que añadir a las galaxias una enorme cantidad de masa para que las estrellas se mantuvieran juntas. Pero no podían ver dónde estaba esta masa. Esta contradicción se resolvía al suponer que había una inmensa cantidad de cosas pesadas que eran invisibles, u «oscuras», en cada galaxia.

Era una afirmación bastante extraordinaria. Y como dijo una vez el gran astrónomo Carl Sagan: «Las afirmaciones extraordinarias requieren evidencias extraordinarias». Así que durante décadas la comunidad astronómica convivió con este extraño acertijo sin entenderlo. Conforme pasaron los años la existencia de estas misteriosas cosas pesadas —o materia oscura, como terminó por conocerse— fue aceptándose cada vez más.

2. Lentes gravitacionales

Otra pista importante que convenció a los científicos de que la materia oscura existe realmente fue la observación de que puede curvar la luz. Esto se llama lente gravitacional.

A veces los astrónomos miraban al cielo y detectaban algo extraño: veían la imagen de una galaxia que provenía de una dirección. Eso no tiene nada de raro, pero si movían un poquito el telescopio podían ver la imagen de otra galaxia muy parecida a la primera. La forma, el color y la luz que venían de estas galaxias eran tan parecidos que los astrónomos estaban seguros de que se trataba de la misma. Pero ¿cómo podía ocurrir esto? ¿Cómo puede aparecer la misma galaxia dos veces en el cielo?

Ver dos veces la misma galaxia es perfectamente posible si hay algo pesado —e invisible— que se interpone entre la galaxia y tú; este manchón pesado e invisible puede actuar como una lente gigante y desviar la luz de la galaxia para que parezca que viene de dos direcciones.

Imagina que la luz sale de la galaxia en todas direcciones. Ahora imagina dos partículas de luz, llamadas fotones, que vienen de esa galaxia, una hacia tu izquierda y la otra hacia tu derecha. Si hay algo pesado entre esta galaxia y tú, la gravedad de ese objeto deformará el espacio que lo rodea y provocará que ambas partículas de luz se dirijan hacia tu cuerpo.[7]

Lo que ves en tu telescopio terrestre son dos imágenes de la misma galaxia que vienen de diferentes direcciones del cielo. Este efecto se observó en cada rincón del cielo nocturno; esta cosa pesada e invisible parecía estar en todos lados. La materia oscura ya no era una idea loca. Dondequiera que mirásemos, encontrábamos pruebas de su existencia.

3. Colisiones de galaxias

La evidencia más convincente de que la materia oscura existe se obtuvo al observar una gigantesca colisión galáctica en el espacio. En un acontecimiento épico, dos cúmulos galácticos chocaron entre sí hace millones de años. Nos perdimos la colisión, pero como la luz de esas galaxias tarda millones de años en llegar hasta nosotros, podemos sentarnos cómodamente a ver las explosiones resultantes.

Cuando los dos cúmulos galácticos colisionaron, el gas y el polvo que contenían produjeron resultados espectaculares: ocurrieron enormes explosiones, se desgarraron gigantescas nubes de polvo. Fue un festival de efectos especiales. Si te ayuda, imagínate el choque de dos enormes montones de globos de agua que son arrojados unos contra otros a una velocidad delirante.

Pero los astrónomos notaron otra cosa. Cerca del lugar de la colisión había dos enormes cúmulos de materia oscura; por supuesto, esta materia oscura era invisible, pero podían detectarla de forma indirecta midiendo la desviación que los cúmulos provocaban en la luz de las galaxias tras ellos. Estos dos cúmulos de materia oscura parecían estarse moviendo a lo largo de la línea de colisión como si nada hubiera pasado.

Los astrónomos reconstruyeron el relato de lo que ocurrió: había dos cúmulos galácticos, cada uno con materia normal —básicamente gas y polvo, con algunas estrellas— y materia oscura. Cuando los cúmulos hicieron colisión, casi todo el gas y el polvo chocaron como uno espera que lo haga la materia normal. Pero ¿qué pasa cuando la materia oscura choca con otra materia oscura? ¡Nada que podamos detectar! Los cúmulos de materia oscura siguieron su camino y pasaron uno a través del otro, casi como si fueran invisibles entre sí. Las estrellas también pasaron unas junto a otras, porque estaban muy dispersas.

Esos enormes amasijos de materia, más grandes que muchas galaxias, se atravesaron sin más. La colisión básicamente despojó a las galaxias de todo su gas y su polvo.

Lo que sabemos sobre

la materia oscura

A estas alturas debe quedarte claro que la materia oscura existe y que es una cosa extraña y diferente de la materia a la que estamos acostumbrados. Esto es lo que sabemos sobre la materia oscura:

Tiene masa.

Es invisible.

Le gusta estar con las galaxias.

La materia normal no parece tocarla.

La otra materia oscura tampoco parece tocarla.[8]

Tiene un nombre genial.

Ya debes estar pensando: «Guau, me gustaría estar hecho de materia oscura. Sería un superhéroe increíble». ¿No? Bueno, tal vez solo seamos nosotros.

Una cosa que sabemos sobre la materia oscura es que no se esconde muy lejos. La materia oscura tiende a acumularse en enormes manchones que flotan en el espacio y que acompañan a las galaxias. Eso quiere decir que es muy probable que ahora mismo estés rodeado de materia oscura. Bien podría ser que mientras lees esta página haya materia oscura pasando entre el libro y tú. Pero si nos rodea, ¿por qué es tan misteriosa? ¿Por qué no podemos verla ni tocarla? ¿Cómo puede existir, pero ser imposible de ver?

Es muy difícil estudiar la materia oscura, porque no podemos interactuar gran cosa con ella. No podemos verla —por eso se llama «oscura»—, pero sabemos que tiene masa —por eso se llama «materia»—. Para explicar cómo es posible, primero tenemos que pensar cómo interactúa la materia normal.

Cómo interactúa la materia

La materia interactúa de cuatro formas principales:

Gravedad

Si dos cosas tienen masa sentirán una fuerza de atracción mutua.

Electromagnetismo

Esta es la fuerza que sienten dos partículas si tienen una carga eléctrica. Puede ser atractiva o repulsiva, dependiendo de si tienen la misma carga o cargas diferentes.

De hecho, sientes esta fuerza todos los días. Si empujas este libro la razón de que el papel no se rasgue y de que tu mano no atraviese el papel es que las moléculas que componen el libro se sujetan fuertemente entre sí mediante enlaces electromagnéticos y rechazan las moléculas de tu mano.

El electromagnetismo también es el responsable de que haya luz y, por supuesto, electricidad y magnetismo. Más adelante hablaremos sobre la luz y las profundas conexiones entre fuerzas y partículas.

Fuerza nuclear débil

Esta fuerza se parece mucho al electromagnetismo, pero es mucho mucho más débil. Por ejemplo, los neutrinos usan esta fuerza para interactuar —¡débilmente!— con otras partículas. Con energías muy altas, la fuerza débil se vuelve tan fuerte como el electromagnetismo, y se ha demostrado que es parte de una sola fuerza unificada llamada «electrodébil».

Fuerza nuclear fuerte

Es la fuerza que mantiene los protones y los neutrones juntos dentro del núcleo atómico. Sin ella todos los protones de carga positiva del núcleo se repelerían y se irían volando.

Cómo interactúa la

materia oscura

Es importante subrayar que esta lista de fuerzas solo es descriptiva. En ese sentido, la física a veces es como la botánica. No entendemos por qué existen estas fuerzas. Solo es una lista de las cosas que hemos observado; ni siquiera sabemos si está completa, pero hasta ahora podemos explicar todos los experimentos que se han hecho en física usando estas cuatro fuerzas.

Entonces, ¿por qué es tan oscura la materia oscura? Bueno, pues la materia oscura tiene masa, así que siente los efectos de la gravedad. Pero eso es casi todo lo que sabemos de cierto sobre sus interacciones. Creemos que no tiene interacciones electromagnéticas. Hasta donde sabemos, no refleja luz ni la emite, y es por eso que resulta tan difícil verla directamente. La materia oscura tampoco parece tener interacciones nucleares débiles o fuertes.

Así que, a menos que exista algún tipo de interacción que aún no hayamos descubierto, parece que la materia oscura no puede interactuar con nosotros, ni con nuestros telescopios o detectores, por medio de los mecanismos normales. Esto hace que sea muy difícil estudiarla.

De las cuatro formas fundamentales en las que sabemos que interactúan las cosas, la única que estamos seguros de que se puede aplicar a la materia oscura es la gravedad. De aquí viene la «materia» de la materia oscura. La materia oscura tiene sustancia. Tiene masa y, por lo tanto, siente la gravedad.

¿Cómo podemos estudiar

la materia oscura?

Esperamos haberte convencido de que la materia oscura existe. Definitivamente hay algo ahí fuera que evita que las estrellas salgan disparadas hacia el espacio, que desvía la luz de las galaxias y que se aleja de las gigantescas colisiones cósmicas igual que los héroes de acción se alejan de los coches que explotan, en cámara lenta… y sin mirar hacia atrás. La materia oscura es así de genial.

Pero la pregunta sigue en pie: ¿de qué está hecha la materia oscura? No podemos pretender que conocemos la respuesta a una pregunta aún mayor —de qué está hecho el universo— si solo estudiamos el 5 por ciento más fácil. No podemos ignorar el enorme 27 por ciento que representa la materia oscura. La respuesta corta es que aún no tenemos mucha idea de qué es la materia oscura. Sabemos que existe, cuánto hay y más o menos dónde está, pero no sabemos de qué clase de partículas está hecha, o incluso si está hecha de partículas. Recuerda que hay que tener cuidado al extrapolar a todo el universo lo que sabemos sobre un tipo de materia más bien infrecuente.[9] Es necesario mantener la mente abierta al tipo de descubrimientos que transforman la manera en que pensamos sobre el universo y nuestro lugar en él.

Para poder avanzar debemos estudiar algunas ideas específicas, explorar sus consecuencias y diseñar experimentos para probarlas. Es posible que la materia oscura esté hecha de elefantes bailarines morados conformados a partir de una extraña partícula nueva e indetectable, pero puesto que esa teoría es difícil de comprobar, no es una de las grandes prioridades de la ciencia.[10]

Una idea sencilla y concreta es que la materia oscura está hecha de un nuevo tipo de partícula que usa un nuevo tipo de fuerza para interactuar muy muy débilmente con la materia normal. ¿Por qué pensar en un solo tipo de partícula? Porque es la idea más sencilla, así que tiene sentido ocuparse primero de ella. Definitivamente es posible que la materia oscura esté hecha de varios tipos de partículas, como la materia normal; estas partículas oscuras podrían tener toda clase de interacciones interesantes, que darían origen a una química oscura y tal vez incluso a una biología oscura, una vida oscura y unos pavos oscuros —una idea aterradora—.

La candidata a partícula se conoce como WIMP, las siglas en inglés de weakly interacting massive particle —«partícula masiva débilmente interactiva», es decir, algo con masa que interactúa débilmente con la materia normal—.[11] Suponemos que podría usar una nueva fuerza hipotética para interactuar con nuestro tipo de materia más o menos con la intensidad con la que lo hacen los neutrinos, es decir, muy muy poca. Durante un tiempo hubo gente que consideró otras ideas, por ejemplo, que existían enormes esferas de materia normal del tamaño de Júpiter. Para distinguirlas de los WIMP las apodaron MACHO —massive astrophysical compact halo objects, «objetos astrofísicos masivos de halo compacto»—.

¿Cómo sabemos que las partículas de materia oscura interactúan con la materia normal mediante fuerzas distintas a la gravedad? No lo sabemos. Esperamos que sea el caso, porque eso las haría mucho más fáciles de detectar. Así que primero realizamos unos experimentos muy difíciles, y luego realizamos unos casi imposibles.

Los físicos han construido experimentos diseñados para detectar estas hipotéticas partículas de materia oscura. Una estrategia clásica es llenar un contenedor con un gas noble frío comprimido y rodear el contenedor con detectores que se activan cuando un átomo del gas es golpeado por materia oscura. Hasta ahora estos experimentos no han encontrado ninguna evidencia de materia oscura, pero apenas se están volviendo lo suficientemente grandes y sensibles como para que pueda esperarse que la detecten.

Otro enfoque es tratar de crear materia oscura usando un colisionador de partículas de alta energía, que acelera partículas normales —protones o electrones— a velocidades delirantes y las hace chocar entre sí. Esto de por sí es asombroso, pero además tiene la ventaja de que nos permite explorar el universo en busca de nuevas partículas. Y nos permite hacerlo porque puede convertir un tipo de materia en otros tipos. Cuando las partículas chocan entre sí, las partes que las conforman no solo se reacomodan en nuevas configuraciones; la vieja materia es aniquilada y surgen nuevas formas de materia. Es como alquimia —en serio— a nivel subatómico. Esto significa que, con algunas limitaciones, casi puedes hacer cualquier tipo de partícula que existe sin saber de antemano qué es lo que estás buscando. Los científicos están estudiando las colisiones en busca de evidencia de que algunas de ellas conducen a la creación de partículas de materia oscura.

Un tercer enfoque es apuntar nuestros telescopios hacia los lugares en los que creemos que hay altas concentraciones de materia oscura. El más cercano a nosotros está en el centro de la galaxia, y parece tener una gran concentración de materia oscura. La idea es que dos partículas de materia oscura podrían chocar al azar y aniquilarse entre sí. Si la materia oscura puede interactuar consigo misma de algún modo, las partículas de materia oscura que chocan podrían convertirse en partículas de materia normal, del mismo modo que dos partículas de materia normal pueden chocar para crear materia oscura.[12] Si esto ocurre con suficiente frecuencia, algunas de las partículas de materia normal resultantes tendrán una distribución de energía y una ubicación particulares que les permitirán a nuestros telescopios identificarlas como algo que probablemente tiene su origen en choques de materia oscura. Pero entender esto requiere que sepamos mucho sobre lo que ocurre en el centro de nuestra galaxia, que es un conjunto totalmente diferente de misterios.

Por qué nos interesa

esta materia

La materia oscura es un indicador muy importante de que, a pesar de todos nuestros descubrimientos y avances, aún estamos en la oscuridad en lo que se refiere a la naturaleza del universo. En términos de nuestra comprensión de las cosas nos encontramos al mismo nivel que los científicos de las cavernas Ook y Groog. La materia oscura ni siquiera aparece en nuestros actuales modelos físicos o matemáticos del universo. Hay una enorme cantidad de materia que nos atrae, y no sabemos qué es. No podemos decir que entendemos nuestro universo sin entender esta enorme fracción de él.

Ahora, antes de que te entre la paranoia de que hay una cosa rara, oscura y misteriosa que flota a tu alrededor, piensa en esto: ¿qué pasaría si la materia oscura fuera asombrosa?

La materia oscura está hecha de algo con lo que no tenemos ninguna experiencia directa. Es algo que no hemos visto antes, y puede comportarse de formas que no hemos imaginado.

Piensa en todas las increíbles posibilidades que existen.

¿Qué pasaría si la materia oscura estuviera hecha de algún nuevo tipo de partícula que podemos producir y aprovechar en los colisionadores de alta energía? ¿O si al descubrir qué es entendiéramos algo sobre las leyes de la física que no sabíamos, por ejemplo, una nueva interacción fundamental o una nueva forma en la que pueden funcionar las interacciones que existen? ¿Y qué tal si este descubrimiento nos permitiera manipular la materia ordinaria de nuevas maneras?

Imagínate que llevas toda la vida jugando un juego y de pronto te das cuenta de que hay reglas especiales o nuevas piezas especiales que podrías usar. ¿Qué conocimientos o qué tecnología increíbles podrían revelarse cuando descubramos qué es la materia oscura y cómo funciona?

No podemos quedarnos para siempre en la oscuridad. Que sea oscura no quiere decir que no sea materia de nuestro interés.