Esas Maravillosas Partículas
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Esas maravillosas partículas - La materia oscura2008/04/23
Continuamos hoy buceando por el extraño pero fascinante
mundo de las partículas subatómicas dentro de la serie Esas
maravillosas partículas. Hace ya unos cuantos artículos que
estamos hablando de partículas que no están dentro
del Modelo Estándar de partículas subatómicas. Existen
multitud de partículas hipotéticas fuera del modelo, unas más
plausibles que otras, y estamos hablando de las que más
felices harían a muchos físicos si se descubrieran (ni qué decir
tiene que otros se comerían el sombrero).
Hoy no vamos a hablar de ninguna partícula específica, sino
de un asunto más amplio y que necesitamos mencionar antes
de estudiar algunas partículas que llegarán a la serie en
breve. Antes de seguir con más “maravillosas partículas”
haremos un pequeño interludio para hablar sobre unaTerra
incognita de la cosmología moderna: la materia oscura.
Algunos lleváis esperando este artículo (así como otro sobre
la energía oscura, que llegará tarde o temprano) durante
meses, de modo que espero que me perdonéis la tardanza y
disfrutéis de la lectura.
La razón de que hablemos de ella en esta serie es
sencillamente que, como veremos a lo largo de esta entrada,
una de las explicaciones más satisfactorias de la existencia de
la materia oscura para la mayor parte de los físicos es
precisamente la existencia de partículas elementales
hipotéticas, de características algo peculiares. Pero antes de
postular más partículas, ¿por qué necesitamos hacerlo? En
otras palabras –y estoy convencido de que muchos de
vosotros habéis pensado esto con palabras algo más
fuertes–, ¿qué diablos es la famosa materia oscura?
Aquí tienes mi definición: la materia oscura es todo lo que
no vemos ni sabemos lo que es, pero pensamos que
está ahí. No intimida tanto como el nombre parece sugerir,
¿no? En cierto sentido, es como el nombre Terra incognita que
los cartógrafos solían aplicar a los territorios aún no
explorados. Ahí había algo, desde luego, pero nadie sabía
qué. Es más sencillo decir materia oscuraque lo que sabemos
que hay en el Universo pero que no tenemos ni la más remota
idea de lo que es. Además, el físico que utiliza la primera
expresión suena más sabio, ¿y a qué físico no le gusta sonar
sabio ante el profano?*
Desde luego, no podemos quedarnos aquí. En primer
lugar, ¿por qué pensamos que hay algo que no vemos? Y en
segundo lugar, aunque no sepamos lo que es, no podemos
simplemente marcar los mapas del cosmos con “Aquí hay
dragones”: ¿qué alternativas plausibles hay? ¿qué cosas
podría haber ahí fuera que no podamos ver de ninguna
manera?
Para entender la razón de que pensemos que hay muchas
cosas ahí fuera que no vemos hace falta comprender el
concepto de velocidad orbital, que ya mencionamos al hablar
acerca del ascensor espacial. Básicamente, cuando un objeto
gira alrededor de otro debido a la fuerza de la gravedad, la
velocidad con la que se mueve depende de la distancia al
centro de gravedad y de la masa que atrae al objeto.
Un ejemplo algo tonto: si la Tierra tuviera menos masa de la
que tiene, la fuerza de atracción sobre la Luna sería menor y
la velocidad de nuestro satélite a nuestro alrededor, si se
mantuviera en la misma órbita, sería más pequeña. Del
mismo modo, si la Luna se encontrase más cerca de nosotros,
necesitaría moverse más deprisa para mantener la distancia.
Dicho de otra manera: sabiendo la velocidad de la Luna y
su radio de giro es posible determinar la masa del
objeto que la atrae hacia el centro, en este caso la
Tierra.
Es decir, alguien podría no ver la Tierra sino simplemente la
Luna, medir el radio de su órbita y su velocidad de giro: a
partir de estos datos (ni siquiera hace falta la masa de la
Luna) sería posible calcular la masa del objeto que la hace
girar, es decir, la Tierra.
Bien, esto precisamente estaba haciendo en 1933 el
astrofísico suizo Fritz Zwicky, sólo que no lo hacía para la
Tierra y la Luna, sino para un cúmulo de galaxias muy lejano,
el Cúmulo de Coma, que se encuentra a unos 321 millones de
años-luz de nosotros. Las galaxias de ese cúmulo, como las de
todos ellos, se encuentran realizando órbitas alrededor del
centro de gravedad del cúmulo. Zwicky estimó la masa total
del cúmulo de galaxias a partir del brillo de las estrellas,
suponiendo que se trataba de galaxias “normales”, con una
proporción determinada de masa en las estrellas frente a
materia menos visible, como nubes de gas y polvo. Luego
calculó la misma masa a partir de la velocidad de las galaxias
y la distancia al centro de gravedad del cúmulo – algo similar
a lo que he descrito en el párrafo anterior, aunque bastante
más complicado (pero eso no viene al caso ahora).
Lo importante es que el resultado parecía totalmente
absurdo: la masa del cúmulo, calculada a partir de la
velocidad de las galaxias, era mayor que la masa visible. Pero
no era sólo un poco mayor, algo que podría deberse a algún
fallo en el cálculo o alguna fracción de la masa que no se
pudiera haber visto bien. Ni siquiera era bastante mayor: era
400 veces más masivo de lo que se veía. Zwicky se dio
cuenta rápidamente de que había algo muy, muy importante
ahí mismo – algo que no se podía ver, pero que debía estar
allí. Algún tipo de materia que, por razones desconocidas, no
se podía detectar desde la Tierra.
Posteriormente se realizaron distintos cálculos en muchas
partes del firmamento, y la conclusión era siempre la misma:
hay mucha más masa ahí fuera que la que podemos ver. En
particular, el trabajo de Vera Rubin a finales de los 60 y
principios de los 70 mostró que todas las galaxias espirales
que podemos ver giran más deprisa de lo que necesitarían, si
su masa fuera la que percibimos. La conclusión, una vez más,
es que en ellas hay mucho que no podemos ver. Con lo de
“podemos ver” no sólo me refiero a las estrellas: gran parte
del gas y el polvo interestelares son visibles de una u otra
forma, porque absorben y emiten radiación más o menos
energética. Lo que falta por ver no es simplemente “difícil de
ver”: nos es totalmente invisible.
Además, como en el caso de Zwicky, no se trata de un
pequeño desajuste entre lo que vemos y lo que nuestros
cálculos indican que está ahí. Para que te hagas una idea,
observa el siguiente diagrama de la composición estimada
del Universo:
Aparte de la energía oscura (de la que hablaremos en algún
otro momento, pero que es otra forma de decir “Aquí hay
dragones”), fíjate en la diferencia entre la materia que vemos
y la materia oscura: ¡un 4% frente a un 23%! Esto quiere
decir que, de acuerdo con nuestros cálculos, ahí fuera hay
casi seis veces más materia oscura que la normal. No
es un problema de un leve ajuste: realmente no tenemos ni
idea de cómo es el Universo.
Naturalmente, los físicos se dedicaron entonces a tratar de
explicar la razón de esta diferencia tan catastrófica entre lo
que vemos y lo que calculamos. Básicamente existen dos
explicaciones posibles, y aún no estamos completamente
convencidos de cuál es la correcta:
Nuestros cálculos están mal. Esto sería posible si, por
ejemplo, nuestras concepciones de la gravitación o de la
inercia son erróneas. Existen modelos alternativos que
definen una gravedad modificada respecto a la de Einstein,
modificaciones de las Leyes de Newton e incluso intentos de
construir una teoría cuántica de la gravedad que justifique las
observaciones. Sin embargo, ninguno de estos modelos ha
logrado hasta el momento ajustarse a las observaciones que
hemos realizado.
Realmente hay algo ahí fuera que no vemos. Si es así,
nuestros esfuerzos deben dirigirse en primer lugar a postular
hipótesis sobre la naturaleza de ese algo (porque “materia
oscura”, por mucho que impresione al lego, no llega muy
lejos), y en segundo lugar a tratar de detectarlo. Sí, es
invisible para muchos de nuestros medios de observación,
pero hay que encontrar alguna manera en la que sí pueda
detectarse directamente.
De hecho, hemos detectado indicios de materia
oscura difíciles de ignorar varias veces. El problema, en
general, es que parece estar localizada en los lugares en los
que hay materia normal (como los halos de las galaxias),
como si estuviera mezclada con ella. Sin embargo, hemos
tenido suerte en alguna ocasión, cuando colisiones
tremendas han separado temporalmente la materia oscura de
la materia que podemos ver. Ya hablamos hace un año de una
de estas observaciones, en la que se observó la influencia
gravitatoria de un anillo enorme de materia que deformaba la
luz que nos llega, pero que era totalmente invisible en todas
las longitudes de onda.
Aquí puedes ver una imagen del cúmulo en el que se detectó
este anillo, combinada con la influencia gravitatoria de la
materia que no vemos, que se muestra como un anillo más
oscuro (la imagen está tratada, realmente no se ve el anillo
sino su influencia gravitatoria):
Anillo de materia oscura. [Versión a 1280x1280
px](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c3/CL00
24%2B17.jpg “”). Crédito: NASA.
Este tipo de observaciones hacen que la mayor parte de los
científicos sean partidarios de la segunda de las posibilidades
de las que hemos hablado arriba, es decir, pensamos que sí
que hay algo en el Universo que no podemos ver y que aporta
un porcentaje tremendo de su masa total. Con lo que
tenemos que preguntarnos qué diablos es, y para eso
también hay, básicamente, dos posibilidades que no se
excluyen mutuamente con un nivel de aceptación razonable:
Se trata de objetos estelares difíciles de ver. Es decir, es
materia normal a nivel subatómico, con lo que su masa
estaría fundamentalmente formada por protones y neutrones,
como la demás, pero estos cuerpos celestes pueden ser casi
imposibles de ver por no emitir radiación y ser muy
compactos. Se trataría, en cualquier caso, de materia oscura
compuesta por bariones, es decir,materia oscura
bariónica.
Se trata de partículas subatómicas más o menos
exóticas. En este caso no estaríamos hablando de bariones –
como los protones y neutrones– sino de otras partículas, como
los neutrinos o incluso partículas hipotéticas no
pertenecientes al Modelo Estándar. Como te puedes imaginar,
esta sería la posibilidad más interesante y va a llevarnos a
hablar en la serie de algunas de estas partículas. En este caso
estaríamos hablando de materia oscura no bariónica.
La primera opción es menos revolucionaria. Sí es cierto que
hay algunos objetos estelares compuestos de materia normal
y corriente que son muy difíciles de ver, como los agujeros
negros, las estrellas de neutrones o las enanas marrones,
sobre todo si están aislados. Pero recuerda que para explicar
la gigantesca cantidad de masa que nos queda por ver haría
falta un número enorme de estos objetos, y la mayor parte de
ellos suelen estar dentro de sistemas estelares normales, con
lo que son más fáciles de detectar.
Puesto que este tipo de objetos deberían ser muy masivos y
compactos y encontrarse fundamentalmente en los halos de
las galaxias, se denominan MACHOs: Massive Astrophysical
Compact Halo Objects, o lo que es lo mismo, Objetos
Astrofísicos de Halo Masivos y Compactos. El nombre es algo
rebuscado porque es algo jocoso, y pretende ser
precisamente la palabra “macho”. La razón es que la otra
alternativa fundamental, de la que hablaremos en el
siguiente artículo de la serie, es justo lo contrario: algo
pequeño y sutil que, como veremos, es algo así como
un “alfeñique”. ¿Quién ha dicho que los astrofísicos no
pueden divertirse con nombres estúpidos de vez en cuando?
Aunque la verdad es que, como enclenque y alfeñique que
soy, no me hace demasiada gracia el nombre.
MACHO (agujero negro aislado actuando de lente
gravitatoria). Crédito: Ute Kraus (CC 2.0 Attribution
Sharealike License).
La explicación de los MACHOs tiene diversos problemas. Uno
de ellos es que la mayor parte de ellos son díficiles de
detectar, pero no imposibles de detectar. Para explicar una
masa total del Universo debida a ellos mucho mayor que la
que podemos ver debida a las estrellas normales hacen falta
muchísimos, y hasta ahora no se ha detectado el número
suficiente ni de lejos. Además, los modelos
de nucleosíntesis que describen la formación de átomos
después del Big Bang indican que no es posible que se hayan
formado tantísimos protones y neutrones comparados con el
resto de partículas fundamentales como para justificar la
existencia de esa legión de MACHOs que no vemos.
Desde luego, nadie duda de que hay muchos MACHOs (no, no
voy a hacer ninguna broma fácil), y hemos hablado de varios
tipos de ellos en La vida privada de las estrellas. Se han
observado, directa o indirectamente, todos ellos, y cada vez
somos más eficaces en detectarlos. De hecho, se piensa que
estos objetos escurridizos tal vez representen hasta un 20%
de la materia oscura de nuestra galaxia si nos ponemos
generosos – pero parece difícil que ellos solos sean la
explicación.
Ahí entra, por fin, la física de partículas en la que tanto nos
regodeamos en esta serie: ¿qué partículas subatómicas
servirían para explicar la materia oscura? Sólo hay una
partícula subatómica del Modelo Estándar que reúne las
características necesarias para explicar esa tremenda
cantidad de masa invisible, pero la mayoría de los
cosmólogos piensa que debe haber algo más que constituya
la mayor parte de la materia oscura. ¡Ah, pero de eso
hablaremos en la próxima entrada de la serie!