Materia Oscura: ¿un responsable en hechos de gravedad?

Sergio A. Cellone

Materia Oscura: tal es el nombre con el que se ha designado a todo aquello que los astrónomos no podemos ver ni detectar en forma directa, pero que se hace evidente a través de su atracción gravitatoria sobre otros cuerpos celestes. Identificar a esta entidad omnipresente y misteriosa que se hace sentir en todas partes del Universo se ha convertido en un desafío para la astrofísica moderna. La historia y el presente de esta búsqueda son lo que aquí trataremos. El futuro se abre en una variedad de inquietantes posibilidades, a las que, por ahora, sólo podemos intentar asomarnos.

Newton y la manzana Buscamos un responsable en hechos de gravedad, y por lo tanto nuestra historia debe comenzar en 1666 con el genial Isaac Newton y su Ley de Gravitación Universal. Ésta enuncia que dos cuerpos cualesquiera se atraen con una fuerza directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa. En simbolos: donde G es la constante de gravitación universal, M y m son las masas, o sea la "cantidad de materia" que contiene cada uno de los cuerpos, y d la distancia entre ambos. Pero Newton además había establecido las leyes del movimiento, es decir, la Mecánica. Juntando las dos cosas, se llega a determinar cómo se mueve cualquier objeto por acción de la fuerza de gravedad. Uno de los casos más simples es el de un cuerpo en órbita circular alrededor de otro. Las ecuaciones de Newton nos muestran que su velocidad orbital estará dada por: Es decir, la velocidad orbital disminuye con la raíz cuadrada de la distancia al cuerpo central y aumenta con la raíz cuadrada de la masa de éste. Por ejemplo, la Luna orbita alrededor de la Tierra a una distancia de 384400 km, y con una velocidad de aproximadamente 1 km/s (unos 3600 km/h). Estos datos, que conocemos porque se han medido, permiten determinar la masa de la Tierra: unas 6x1021 toneladas (número que se escribiría como un 6 seguido de 21 ceros, o sea seis mil trillones). ¿Pero qué pasaría si la Luna orbitara alrededor de un planeta de masa mayor que la de la Tierra? La respuesta nos la puede ilustrar Io, uno de los satélites de Júpiter, que gira alrededor de ese planeta a una distancia muy similar a la que separa a la Luna de nosotros. Io completa su órbita en sólo 42 horas, a una velocidad de 62400 km/h, unas 17 veces más rápido que la Luna. De allí podemos determinar que la masa de Júpiter es 318 veces superior a la de la Tierra. La relación es clara: a mayor masa del cuerpo central, mayor velocidad del satélite. Pero si consideramos otro de los satélites de Júpiter, como Calisto que orbita unas 4 veces y media más lejos que Io, nos encontramos con que su velocidad es de sólo 29400 km/h. Es decir, para el mismo cuerpo central (Júpiter en nuestro ejemplo), a mayor distancia, menor velocidad. Este juego entre distancias y velocidades es el que nos permite, a través de las leyes de Newton, determinar las masas de los objetos celestes. La importancia de esta determinación es fundamental, ya que, por ejemplo, la evolución de una estrella queda determinada desde el instante mismo de su nacimiento por la cantidad de materia que contiene, es decir, por su masa. Y a gran escala, el destino de todo el Universo dependería de cuál es su masa total: un Universo poco denso se expandiría para siempre, mientras que si la masa por unidad de volumen fuera mayor que un valor crítico, podría en algún momento frenar su expansión para, al cabo de miles de millones de años, volver a colapsar en una fantástica implosión. Sólo se trataría entonces de "pesar" el Universo, es decir, medir su masa actual para poder predecir su futuro. Sin embargo, el problema práctico de medir con precisión distancias y velocidades es enorme. Y, como si esto fuera poco, algo está acechando en las tinieblas.

Probablemente fue el estudio del movimiento orbital de la Luna, más que la caída de una manzana, lo que le permitió a Newton desarrollar su teoría de la gravitación universal. (Fotografía tomada por el autor con el anteojo buscador del Telescopio Gran Ecuatorial, OALP.) La gravedad terrestre atrae a la Luna, que se acelera en dirección de la flecha más corta. Sin embargo, la velocidad tangencial de la Luna (flecha larga) la mantiene en órbita, sin llegar nunca a caer sobre la Tierra. Si la masa de la Tierra fuera mayor de lo que es, la Luna debería moverse más rápido para no caer.

Sirio B (flecha) fue detectada por su atracción gravitatoria sobre su compañera más brillante mucho antes de ser observada a través del telescopio.

Bailando en la oscuridad A mediados del siglo XIX surge el primer caso de lo que hoy llamaríamos "materia oscura". El inglés John C. Adams y el francés Urbain Le Verrier, trabajando por separado, notan que el movimiento del planeta Urano no sigue perfectamente las leyes de Newton. Pero en vez de pensar, como otros, que éstas fallaban, supusieron la existencia de un planeta nunca visto hasta entonces, capaz de "perturbar" el movimiento de Urano con su atracción gravitatoria. Calcularon la posición de ese hipotético planeta, y la noche del 23 de septiembre de 1846, el alemán Johann G. Galle junto al entonces estudiante Louis d'Arrest pudieron observarlo con un telescopio en las coordenadas indicadas por Le Verrier. Neptuno, el octavo planeta, era ahora una realidad, pero había sido durante un tiempo una masa invisible cuya presencia sólo se infería debido a su fuerza de gravedad. Para la misma época, Friedrich Bessel nota que Sirio, la estrella más brillante de nuestro cielo nocturno, se mueve siguiendo un camino sinuoso en la bóveda celeste, como si algo tironeara de ella. Recién en 1862, Alvan Clark logra detectar una estrellita compañera de Sirio, 11500 veces más débil que ésta, aunque de masa no mucho menor. Ambas estrellas orbitan una alrededor de la otra, pero si no las observamos con un telescopio lo suficientemente poderoso, Sirio parece bailar un vals con una pareja invisible. Pero no todos son éxitos. Envalentonado con el descubrimiento de Neptuno, Le Verrier propone en 1860 la existencia de otro planeta entre el Sol y Mercurio para explicar las variaciones de la órbita de éste ultimo. El supuesto planeta no sólo recibió un nombre ("Vulcano"), sino que varios observadores, en distintas oportunidades, anunciaron haberlo visto. Pero nunca nadie pudo confirmar esas observaciones, y la existencia de Vulcano siguió siendo un misterio. Recién en 1916, el movimiento anómalo de Mercurio quedó explicado con la Relatividad General de Albert Einstein: Mercurio está muy cerca de la enorme masa del Sol y por eso la gravitación newtoneana no es exacta. Ya sin necesidad de planetas invisibles, Vulcano fue cayendo en el olvido. Su nombre reaparecería muchos años más tarde, aunque en otra parte del Universo, como la patria del Sr. Spok en la serie Viaje a las Estrellas.

Tirando la piedra y escondiendo la mano Aunque los ejemplos anteriores nos sirven para caracterizar el problema, es recién en el siglo XX cuando distintas observaciones astronómicas comienzan a sugerir que hay mucha más materia en el Universo de la que podemos detectar directamente. En 1932, el holandés Jan Oort nota que las estrellas de nuestra galaxia, la Vía Láctea, se mueven mas rápido de lo que deberían. Conclusión: la masa "real" de nuestra galaxia sería el doble de la que estamos viendo. Pocos años después, se obtienen resultados similares estudiando la rotación de una galaxia vecina, Messier 31, la gran espiral de Andrómeda. Casi al mismo tiempo, el notable astrónomo Franz Zwicky mide las velocidades y los brillos de galaxias en el Cúmulo de Coma. Encuentra velocidades demasiado altas y, adelantándose a su época, postula la existencia de grandes cantidades de "masa faltante", que superaría a la materia visible en una proporción de 50 a 1. Este resultado no recibe demasiada atención en su momento, pero hacia el último cuarto del siglo XX ya se hace evidente que cada vez que se intenta medir la masa de galaxias o grupos de galaxias utilizando la ley de gravitación, se obtienen valores muy superiores a los que surgen de toda la materia visible en forma de estrellas, gas y polvo. Y esto ocurre para todo tipo de galaxias, tanto espirales como elípticas, normales o enanas, y la masa "oscura" puede ser hasta 200 veces mayor que la "visible". Claro que en todo esto hay que poner una cuota de prudencia: estamos hablando de medir con precisión las propiedades de galaxias a millones de años luz de distancia, tarea nada trivial, aun para los instrumentos más modernos. Baste pensar que la luz que nos llega de una galaxia típica no muy distante puede ser unas 10000 veces menos intensa que la estrella más débil visible a ojo desnudo, y eso tiene que alcanzar para deducir todas sus propiedades: distancia, luminosidad, masa, composición química, etc. No es descabellado entonces pensar que, a pesar de las precauciones que siempre se toman, podemos estar cometiendo serios errores. Aunque sería mucha mala suerte que todos los errores se confabularan para hacernos creer que hay más masa de la que vemos, hay ejemplos preocupantes. Recientemente, un grupo de científicos del Observatorio Astronómico de La Plata, liderados por el Dr. Juan C. Forte, determinaron que la luminosidad de NGC 1399, una galaxia muy estudiada, es en realidad entre dos y tres veces mayor que lo normalmente aceptado. Resultados similares en muchas otras galaxias y cúmulos reducirían sensiblmente la cantidad de materia oscura necesaria para que cierren las cuentas. Por otra parte, aun no se pueden descartar totalmente las teorías alternativas, que plantean, por ejemplo, que a grandes distancias la gravedad no se comporta tal como conocemos. Esto ocasionaría que los valores de masa medidos sean mayores que los reales.

Curva de rotación típica de una galaxia espiral. Se muestra en rojo la velocidad en km/s medida en función de la distancia al centro (R) en kiloparsecs (1 kpc equivale a 3262 años luz). En azul se esquematiza la velocidad calculada debido a la acción gravitatoria de la masa visible. Es evidente que al aumentar la distancia al centro de la galaxia, la velocidad debería disminuir, pero en cambio permanece casi constante. Esto se explica con la presencia de una gran masa en un halo de "materia oscura". (Más información aquí)

La nebulosa oscura Cabeza de Caballo, formada por polvo interestelar. Algo que no debe confundirse con la materia oscura. (Imagen: Nigel Sharp NOAO, NSF; Copyright: AURA)

¿Oscura, invisible, escondida o faltante? Como muchos otros términos científicos actuales (gran explosión, supercuerdas, agujeros negros) el nombre de "materia oscura" es llamativo pero puede conducirnos a interpretaciones erróneas si lo tomamos textualmente. Es bien sabido que en nuestra galaxia existen enormes nubes de polvo interestelar, que bloquean la luz de las estrellas formando regiones oscuras. Pero esto no es "materia oscura". De hecho, detectamos al polvo justamente por el modo en que afecta a la luz de las estrellas. Además, si bien el polvo es opaco observado en luz "visible" (con un telescopio óptico, digamos), aparece brillante en imágenes infrarrojas tomadas desde satélites artificiales. Tampoco hablar de "materia invisible" sería correcto. Por ejemplo, el gas interestelar (mayormente hidrógeno neutro) es invisible a nuestros ojos (y a los telescopios ópticos), pero emite ondas de radio detectables con radiotelescopios. Hoy en día ya no estamos limitados a la estrecha ventana de la "luz visible". Disponemos de todo tipo de instrumentos, tanto en tierra como en el espacio, capaces de detectar materia que emita desde ondas de radio hasta rayos gamma. Así y todo, seguiría faltando masa para explicar los movimientos de estrellas y galaxias, por lo que el nombre original de "masa faltante" parecería el más adecuado. En todo caso, al decir "materia oscura" nos referiremos al sentido más amplio del término, es decir, no limitándonos a la luz visible sino abarcando todos los tipos de radiación electromagnética.

El Lado Oscuro de la Fuerza En cuanto a qué es esta materia oscura o faltante, se presentan dos opciones básicamente distintas, aunque no excluyentes entre sí: Está constituida por materia común y corriente, pero en formas que aún no pudimos detectar. Es algún tipo de materia no convencional, que no emite ni absorbe luz, ni ninguna otra radiación detectable. Para el primer caso hay muchos candidatos, y varios grupos de investigadores en todo el mundo están realizando campañas intensas para encontrarlos. Con detectores infrarrojos se han descubierto enanas marrones, demasiado grandes para ser planetas, pero demasiado chicas para brillar como estrellas. El telescopio espacial Hubble permitió también descubrir numerosas enanas blancas (un tipo de "cadáveres estelares") y enanas rojas (verdaderas estrellas pero mucho más débiles que el Sol) antes indetectables. Además de estrellas enanas de todos los colores, otros relevamientos con distintas técnicas están revelando materia en toda una variedad de formas antes nunca "vistas", pero el resultado parece indicar que su masa sumada sería aun insuficiente para dar cuenta de toda la materia oscura. La segunda opción involucra un problema adicional. Cuando dejamos atrás las galaxias y cúmulos de galaxias para evaluar globalmente al Universo, las teorías cosmológicas más aceptadas no encajan ni de casualidad con la densidad de materia observada. Intentando arreglar esto, se sugiere que sólo estaríamos viendo, como máximo, el 1% de toda la masa del Universo. De no ser así, no hay forma de explicar las propiedades actuales de éste. Peor aun, sólo una pequeña fracción de toda la masa del Universo estaría en forma de materia ordinaria (estrellas y sus remanentes, gas y polvo, planetas). Para el resto se postulan todo tipo de candidatos: neutrinos, axiones, monopolos, cuerdas cósmicas, racimos de quarks, y una larga lista de entidades exóticas, la mayoría de ellas pobremente conocidas o apenas imaginadas. Por tratarse de materia no convencional, que no absorbe y emite radiación electromagnética (luz, ondas de radio, etc.) como la materia "normal", su detección parece fuera de nuestro alcance por el momento, aunque podríamos acotar los candidatos con mejores teorías de formación y evolución de galaxias. El hecho es que tanto astrofísicos teóricos como observadores parecen converger en una conclusión perturbadora: la mayor parte de la masa del Universo no se puede ver, y, lo que es peor, ni siquiera se sabría de qué está compuesta. Para complicar aun más las cosas, en los últimos años ha resucitado la constante cosmológica, un término que Einstein había agregado a sus ecuaciones y luego desechó, arrepentido, porque no parecía tener ningún sentido físico. Esta constante implica una fuerza repulsiva, de origen desconocido, capaz de acelerar la expansión del Universo (independientemente de cuál es su densidad), y las últimas mediciones de supernovas lejanas parecen justamente indicar una aceleración. Debido a la relación entre energía y masa establecida por la teoría de la relatividad, esta fuerza, ya sea que provenga de la constante cosmológica o de otro origen, jugaría un papel similar al de la materia oscura. Por ello recibe el nombre (tenebroso aunque poco original a esta altura) de "energía oscura". Como vemos, el Universo ha caído en poder de Lord Darth Vader, el personaje siniestro de Star Wars, cuyo nombre, dicho sea de paso, suena muy parecido a dark matter (materia oscura, en inglés).

Mediante observatorios satelitales de rayos X se detectan grandes cantidades de gas caliente en algunos cúmulos de galaxias. Pero esto no resuelve el problema de la masa faltante; por el contrario, la masa visible es sólo el 10% de la necesaria para retener al gas con su fuerza de gravedad. O sea, si no hubiera más materia de la que se ve, el gas no estaría allí. (Esto podría compararse con lo que ocurre en la Luna: su masa es muy baja como para retener una atmósfera.) Visto con un telescopio óptico, el mismo cúmulo de galaxias muestra arcos producidos por lentes gravitacionales, otra prueba (independiente de las leyes de Newton) de que la masa total es mucho mayor que la observada. Estos arcos son imágenes de galaxias lejanas distorsionadas por la gravedad del cúmulo, que actúa así como una lente. (Imágenes: S. Allen [IoA Cambridge] y colab., NASA)

La cruz señala una estrella en la Nube Menor de Magallanes que en junio de 1998 aumentó de brillo por un evento de microlente gravitacional, causado por un objeto "oscuro" pasando por la línea de la visual. El proyecto MACHO (MAssive Compact Halo Object) se basó en esta técnica para detectar objetos de masa menor a la del Sol en el halo de nuestra galaxia, invisibles de otro modo. Hasta ahora la estadística de los objetos detectados por este y otros proyectos no alcanza para dar cuenta de toda la "masa faltante" de la Vía Láctea. (The MACHO Collaboration)

Epílogo: ¿Materia oscura o materia gris? Sin duda arrojar algo de luz sobre el enigma de la materia oscura (y de su nueva cómplice, la energía oscura) es uno de los desafíos científicos más grandes para el siglo que estamos comenzando a transitar. Pero no está para nada claro (no podía ser de otra forma) cómo podrá lograrse esto. Si bien es lógico pensar que las nuevas tecnologías permitirán avanzar en la detección de otras variedades de materia oscura, nadie puede tener la certeza del éxito. Quizás el camino para aclarar este enigma sea continuar estudiando a las galaxias, cúmulos de galaxias, supernovas y demás objetos celestes, a fin comprenderlos mejor y determinar si realmente necesitamos tanta materia oscura como parece. Bien podríamos estar ante un caso similar al del "éter luminífero", sustancia inventada por científicos del siglo XIX para explicar algunas propiedades de la luz, pero que nadie jamás pudo detectar. Sólo un replanteo radical de las leyes de la física como el que produjo la Teoría Especial de la Relatividad en 1905 pudo mostrar que la hipótesis del éter era innecesaria. Aunque por ahora parece poco probable, nadie puede negar la posibilidad de que, en un futuro no muy lejano, se hable nostálgicamente de la materia oscura como de un ingenioso invento que intentaba cubrir algunas de las tantas cosas que ignoramos del sorprendente Universo en el que vivimos.

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