La materia oscura | La pieza que le dará sentido al universo #LoRaro

La materia oscura podría ser catalogada como el misterio más grande de la física moderna. Es la desconcertante partícula que tiene a científicos del mundo en una carrera para detectar el “faltante invisible” que le de sentido al universo. Todos quieren ser los primeros en entregarle al mundo evidencia directa de su existencia y de lo que es; sin embargo, hasta el momento nadie lo ha conseguido. ¿Creías que ya sabiámos todo sobre cómo funciona el cosmos? Realmente, no estamos ni cerca de lograrlo.

El 1933, el astrónomo Fritz Zwicky se encontraba observando el cúmulo de galaxias llamado Coma y notó que la masa de todas sus estrellas representaban solamente el 1% de toda la masa necesaria para que, de acuerdo a la teoría gravitacional de Newton, las galaxias no se escaparan del tirón gravitacional, es decir, para que se mantuvieran unidas de la forma que lo hacen. Entonces ¿dónde está el resto de esa masa? Es así como propuso inicialmente el término de “masa faltante”, que después evolucionaría a “materia oscura”. Sin esta masa faltante simplemente las galaxias no podrían existir como las conocemos, por lo que debería existir entonces una masa que no habíamos podido notar aún.

Estrellas enanas del cluster 'Coma'. Imagen tomada de la Nasa Image and Video Library

De igual manera, basándose en la Teoría de la Relatividad de Einstein -que nos dice que mientras más masa tenga algo, mayor será su capacidad de distorsionar o aumentar otros objetos que se pueden ver a través ese algo- Zwicky estudió la distorsión de galaxias distantes y calculó que entonces debía existir una masa extra a la que originalmente se creía que existía entre nosotros y aquellas galaxias. Lamentablemente este descubrimiento permaneció en pausa durante varias décadas, hasta que en 1970 Vera Rubin hizo otra importante observación en una galaxia vecina. Ahora, este faltante -la materia oscura- aún no ha sido detectado, no hay evidencia concreta que demuestre su existencia, entonces ¿por qué los científicos creen en ella?

Porque podemos observar sus efectos. Podemos aprender mucho sobre un objeto, fenómeno, etécetera, al estudiar sus efectos, su rastro o sus alrededores. Por ejemplo, podemos notar cuando hay algo sucediendo en nuestra calle, cuando escuchas música a lo lejos, hay muchos autos estacionados a lo largo de la calle, escuchas gente riendo o platicando, puedes llegar a la conclusión de que alguno de tus vecinos está teniendo una fiesta en su casa. No necesitas estar presente en su casa para llegar a esa conclusión, al observar sus alrededores has encontrado la información necesaria que te permite llegar a esa conclusión. Puede que no veas la fiesta directamente, pero todo a tu alrededor indica que está sucediendo, que existe, solo desde nuestra ventana no podemos verla. Lo mismo ha sucedido con la materia oscura.

Galaxia Andrómeda. Imagen tomada de la Nasa Image and Video Library

En 1970 la astrónoma Vera Rubin puso su atención sobre las estrellas, específicamente sobre la galaxia de Andrómeda, y lo que notó fue algo muy peculiar que hizo que las observaciones y conceptos de Zwicky fueran recordados. Newton nos enseñó que en nuestro sistema solar mientras más alejado se encuentre un planeta más lento será su giro gravitacional, ya que conforme aumenta la distancia la fuerza de atracción del Sol sobre dicho planeta disminuye. Rubin esperaba que los cuerpos en dicha galaxia se comportaran de la misma manera, que el mismo concepto aplicara en este caso aunque a diferente escala, pero esto no fue así.

Las estrellas de dicha galaxia no disminuían su velocidad conforme más alejadas se encontraban del centro, de hecho, la velocidad de rotación parece no cambiar sin importar su distancia. Además calculó que la masa de las estrellas visibles en dicha galaxia representaban solamente el 10% de la masa total requerida para mantenerlas orbitando. Rubin creyó inicialmente que Andrómeda era una galaxia con un comportamiento único, que había algo diferente en ella, por lo que estudió 60 galaxias y en todas encontró el mismo fenómeno.

Algo aquí no cuadraba. ¿Cómo es posible que lo que es verdad para nuestro sistema solar es diferente para una galaxia? ¿La teoría estaba mal? ¿Debía combiarse conforme a la escala? ¿O acaso no podíamos ver el otro 90% de la masa existente en Andrómeda? Es así como el concepto propuesto por Zwicky es retomado: la materia oscura.

Se le llama “oscura” ya que no podemos verla. ¿Y por qué no? Porque sería una partícula que no interactúa en ninguna forma con ondas electromagnéticas (ondas de radio, rayos gamma, luz), que son las que nos permiten “ver” los objetos- no las emiten ni las absorben. La materia ordinaria es visible ya que emite o absorbe ondas electromagnéticas. Imaginemos que nos encontramos en una habitación oscura y solo poseemos una lámpara, al encenderla podemos ver las paredes ya que éstas reflejan la luz de la lámpara -un tipo de onda electromagnética-.

Si las paredes cambiaran repentinamente a estar hechas de materia oscura el rayo de luz ahora las atravesaría y no podríamos verlas pero al notar que el techo se encuentra en el mismo lugar sabríamos que hay una masa extra actuando en ese lugar. Sabemos que debe existir porque podemos observar sus efectos, solo no podemos verla.

Los científicos han establecido que además de no interactuar con la luz, la materia oscura es estable, ya que perdura con el tiempo; es fría, porque no se mueve a velocidades cercanas a la de la luz y que debe representar alrededor del 27% de la composición total del universo; siendo la materia ordinaria, es decir lo que podemos observar, solamente el 5%. ¿El resto? El otro 68% se estima que es energía oscura.

Energía oscura: Una fuerza también misteriosa responsable de la 
expansión del universo. No debemos confundirla con la materia 
oscura o con la antimteria, estos son conceptos totalmente diferentes.

Por supuesto, siendo este “terreno nuevo”, muchos científicos del mundo desean ser los primeros en develar el misterio. Desde hace varias décadas hay equipos enteros en distintos puntos del mundo trabajando en lugares remotos, en centros de investigación bajo tierra o en observatorios a gran altitud, tratando de encontrar evidencia contundente que nos revele la naturaleza de la materia oscura. Algunos ejemplos de ello son el LUX (Large Underground Xenon Experiment), el colisionador de hadrones del CERN, el telescopio espacial Hubble y el observatorio XMM-Newton.  

Large Underground Xenon Experiment. Imagen tomada de luxdarkmatter.org

El primero se encuentra a 1.6 km bajo tierra en Dakota del Sur, Estados Unidos, en una antigua mina de oro. Esta locación le permite a los investigadores trabajar sin que sus investigaciones se vean comprometidas por los rayos cósmicos que llegan a la tierra, principalmente desde el Sol. Toda esa capa de tierra y roca ofrecen un escudo extra. El LUX es básicamente un tanque de xenon líquido, diseñado para captar la interacción de partículas de WIMP’s con partículas de materia ordinaria a través de fotosensores.

WIMP's: Weackly Interacting Massive Particles, son las principales 
sospechosas de ser lo que concebimos como materia oscura.

El CERN, laboratorio establecido en 1954 como instalación internacional, es el centro de investigación de física de partículas más grande del mundo. Se encuentra en Suiza, cerca de la frontera con Francia. Aquí, científicos de todo el mundo tratan de encontrar respuestas a preguntas cómo: ¿De qué está compuesto nuestro universo? ¿Cuál es su verdadera naturaleza? Y una de sus principales investigaciones es la materia oscura, por supuesto, dentro del colisionador de hadrones.

Éste es el acelerador de partículas más grande y poderoso del mundo funcionando desde el 2008. Consta de un anillo de 27 km donde se hace colisionar a dos haces de partíclas viajando casi a la velocidad de la luz en direcciones opuestas. A través de estas colisiones nuevas partículas son “liberadas” y pueden ser estudiadas. Se espera que los experimentos llevados a cabo dentro del colisionador puedan dar más pistas sobre la materia oscura.

Por su parte el telescopio Hubble y el satélite XMM-Newton, que funge como observatorio espacial, han sido clave para la observación y estudio del espacio, en específico las galaxias y el territorio que se encuentra más allá de ellas. Y aunque todos los centros de investigación mencionados anteriormente han hecho grandes aportaciones, en realidad, no han podido encontrar la misteriosa materia oscura.

Esta partícula neutra que no interactúa con la luz, que ha estado moldeando el universo por billones de años, es la protagonista de una búsqueda tanto frustrante como emocionante por científicos de todo el mundo, quienes han propuesto muchas posibles teorías que expliquen su naturaleza. Una de ellas es que su tamaño es tan pequeño, menor a la de un nucleón, y que su interacción con la materia ordinaria es tan débil que el secreto para encontrarla estaría en construir detectores lo suficientemente sensibles, pero también lo suficientemente discriminatorios para no confundirla con otro tipo de interacciones.

Otras teorías van más allá del modelo estándar de la física, llegando a la supersimetría e inclusive a la idea de dimensiones extra. Éstas proponen que tal vez exista algo llamado Hidden Valley, un mundo paralelo compuesto solamente de materia oscura que tiene muy poco que ver con el mundo de la materia ordinaria que conocemos.

¿Estamos cerca de encontrarla? No lo sabemos. ¿Por qué estudiar la materia oscura? ¿Por qué existe un frenesí por encontrarla? Por ahora, por el simple hecho de que encontrarla le daría sentido al universo. La materia oscura es la pieza que completa el rompecabezas, la que nos permite existir, que explica la rotación de las galaxias, la distorsión de la luz alrededor de sus clusters y sus colisiones. Sin la materia oscura el universo no podría funcionar como lo hace. No debería, es por esto que asumimos que existe algo más ahí que simplemente no podemos ver o identificar aún. Este conocimiento además, como ha sucedido en muchas otras ocasiones, podría llevarnos a progresar en el campo de la ciencia y crear tecnología que mejore nuestras vidas.

Es increíble ¿no? Como la detección de una sola partícula podría resolver el misterio más grande de la física moderna: ¿de qué está hecho el universo? ¿Se dan cuenta que en pleno siglo XXI la física solo puede explicar la composición y el comportamiento del 5% de nuestro alrededor? ¿Podrá el ser humano, un habitante del llamado “pálido punto azul” por Carl Sagan, resolver este misterio? Solo el tiempo nos lo dirá.

Carl Sagan unveils the Pale Blue Dot, 1990 from The Planetary Society on Vimeo.

Esta es una colaboración de Karina Varennikov para la sección 'Lo Raro' 
Foto en portada: Mike Ko

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