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Divulgar es tener conciencia de una altísima misión: poner al alcance de la mayoría el patrimonio científico de la minoría. Manuel Calvo Hernando Another Day in the Lab

13/9/20 - DJ:

Materia oscura: guía básica

T.E.L: 9 min.

¿Por qué los astrónomos están muy seguros de su existencia, a pesar de no haberla detectado? ¿Es algo más que una simple teoría? ¿Cómo hacen mapas de la materia oscura? ¿Cómo se hacen los experimentos? El experimento argentino.



Cuando se publican artículos en medios masivos, los comentarios web indican que el público general no entiende y no conoce algunas cuestiones básicas. Pretendo aquí explicar algunas de ellas.

Las primeras ideas vinculadas a la materia oscura provienen de un astrónomo llamado Fritz Zwicky quien postuló la existencia de una materia exótica como necesaria para explicar los cúmulos de galaxias. Pero el verdadero impulso llegaría varias décadas después, hacia 1970, cuando Vera Rubin detectó una galaxia en la que las estrellas más alejadas del centro (en el halo) tenían velocidades mayores a las esperadas según las leyes de Newton. Aunque al principio no se la tomó en serio, nuevos hallazgos similares en otras galaxias llamaron la atención. De modo que un primer indicio de algo raro se halló en las curvas de rotación de las galaxias.

Pero hay más: Esta discrepancia entre observaciones y teoría está dada por la tasa o proporción entre la masa y la luz (M/L). En la bibliografía, en inglés, se le dice "mass-to-light ratio" y se la designa con la letra griega upsilon ϒ.

Este valor es muy superior en galaxias que en el Sol. Lo que implica, en principio, que en las galaxias hay estrellas diferentes de nuestro Sol. Por definición, si en una galaxia la relación M/L fuese como en el Sol, se indicaría como 1. Pero en las galaxias el valor llega a 30. Las estrellas jóvenes y masivas tienen valores muy debajo de 1, porque son mucho más luminosas. Las enanas blancas tienen un tamaño mucho menor al Sol, pero con una masa similar y baja luminosidad, por lo que el valor M/L es alto. En las galaxias, su composición estelar se puede pensar en función de la edad: las galaxias irregulares, con un alto porcentaje de estrellas jóvenes, tienen valores bajos. Las espirales tienen valores medios. Y las elípticas, con una mayoría de estrellas más viejas, tienen los valores superiores. Pero ninguna población es más vieja que 13 mil millones de años, la edad de los cúmulos globulares. Por lo que las galaxias más viejas definen el valor máximo de la relación M/L. Una proporción mayor a 30 es difícil de explicar por su población estelar. 

Fig. 1: Curva de rotación de la galaxia espiral Messier 33 (puntos en amarillo y azul, con barras de error), y la curva predicha por la distribución de materia visible (línea gris). A mayor distancia del centro, las velocidades aumentan, en vez de disminuir. En general, la curva se aplana (¿le suena el concepto?), lo que implica que, a pesar de la distancia, las velocidades se mantienen.

Para explicar esa discrepancia en las galaxias estudiadas por Rubin y luego en casi todas las demás, se postularon diferentes hipótesis, a saber:
1-En las galaxias debe haber una cantidad importante de materia en los halos, que no brilla en forma directa. Pueden ser objetos compactos y masivos, como los agujeros negros o los planetas. En términos generales, se les dice MACHOs, acrónimo en inglés para Objetos Masivos Compactos del Halo. Esta hipótesis nunca se descartó del todo, pero sí en gran medida. Es que tiene dos defectos: aunque sean difíciles de detectar, se pueden hallar agujeros negros porque la materia que absorben se calienta y brilla en rayos-X. Los planetas, por su parte, reflejan la luz estelar. Con el desarrollo de instrumentos mejores, se llegó a la paradoja de que tendrían que detectarse una cantidad enorme de tales objetos en los halos, cosa que no ocurre. Por otro lado, ¿por qué tales objetos se formarían más en los halos que en los centros galácticos? Sin embargo, es posible que al menos una pequeña parte de la discrepancia se deba a objetos de este tipo. Pero resulta insuficiente para explicar las cosas.

2-Quizás no haya nada extraño en las galaxias, sino que la teoría de Newton es incorrecta. Desde entonces los físicos intentan hallar una corrección que dé cuenta de todo lo que las leyes de Newton sí logran explicar y también, a gran escala, las observaciones de las galaxias. Se les dice Teorías MOND, que significa Dinámica de Newton Modificada. Hasta el momento no se encontró una formulación que funcione, aunque sí hay algunas sugerencias muy buenas que se siguen investigando. Por ejemplo, se sugirió que si se tuvieran en cuenta efectos relativísticos (aunque las velocidades de rotación de galaxias sea solo una pequeña fracción de la velocidad de la luz), la discrepancia en las curvas de rotación sería mucho menor.

3-Otra suposición es que en las galaxias hay una gran cantidad de partículas que tienen masa y gravedad, pero no tienen interacción electromagnética (es decir, con la luz) o bien que su interacción es muy débil. Una partícula que podría cumplir con tales características son los neutrinos que forman parte de una clase de partículas llamadas WIMPs, que significa Partículas masivas de débil interacción. 

Fig. 2: Ilustración de lentes gravitacionales.

ALGO MÁS QUE UNA SUPOSICIÓN
Además de la discrepancia entre observaciones y teoría, por la relación masa-luminosidad, otra pieza clave en darle a los astrónomos cierto nivel de seguridad de la existencia de la materia oscura radica en los cúmulos de galaxias y las lentes gravitacionales.
Según la Relatividad, la materia puede curvar la luz, si se agrupa una cantidad importante de masa. Esta predicción de la teoría se puso a prueba muy pronto después de su publicación al estudiar un eclipse. Desde entonces, muchas veces se detectó que tal curvatura efectivamente ocurre. Cuando se toman imágenes de cúmulos de galaxias, se observa un fenómeno curioso: se ven galaxias que no forman parte del cúmulo, sino que son mucho más lejanas. Se puede explicar del siguiente modo:
La galaxia más lejana emite luz hacia la Tierra y entre esa galaxia y los observadores terrestres hay también un cúmulo de galaxias con gran cantidad de materia. La luz de la galaxia lejana se curva por tal masa, por lo que el cúmulo funciona como si fuera una lente que permite ver lo que está más lejos. Al fenómeno se lo conoce como "lentes gravitacionales".

Pero para que esto funcione, los cúmulos deberían tener mucha más masa de la que se observa. Es decir que hay un segundo motivo para postular que existe una forma de materia exótica. Y estas lentes, además, permiten a los astrónomos hacer algo increíble: mapear la materia oscura en los cúmulos de galaxias. Es que se puede detectar dónde se curva la luz y allí tendría que haber mucha materia, que no se observa.

Fig. 3: El cúmulo Bullet (1E 0657-56) ha sido objeto de estudio y se considera una fuerte evidencia a favor de la materia oscura. La zona rosada indica la presencia de gas caliente en rayos-X. Pero la mayor masa del cúmulo se indica en color azul, separada de la zona de gas. Se puede saber que en esas zonas o lóbulos se acumula más masa por la ubicación de las lentes gravitacionales.

UNA CUESTIÓN DE FONDO
Una forma de investigar la materia oscura es con el concepto de Oscilaciones Acústicas de Bariones (BAO), concepto que surge de datos ya conocidos. En el universo primitivo no se podían formar átomos, ya que era muy caliente. Los núcleos atómicos cargados y los electrones, no se podían juntar. Los fotones de luz eran absorbidos y re-emitidos. Pero si existía ya materia oscura, no tendría ese problema y podría formar grandes estructuras gravitacionales. Cuando más tarde, por la expansión, el universo se enfrió y permitió que se formaran átomos, éstos debieron ser atraídos por la materia oscura y acoplarse para formar las estructuras actuales. Al hacerlo, debió generarse una señal de tal comportamiento: las Oscilaciones Acústicas de Bariones, que se investigan al estudiar el Fondo Cósmico de Microondas
Esto significa que, si no existiera la materia oscura, los astrónomos debieran explicar cómo las estrellas en una galaxia logran mantenerse gravitacionalmente unidas, a pesar de que tales galaxias no parecen tener la materia/masa necesaria.

EXPERIMENTOS: ¿DÓNDE ESTÁN LOS PITUFOS?
Gran parte de los experimentos se basan en la detección de radiación Cerenkov, que genera una luz azulada. Pero como el efecto se podría producir por diferentes partículas, se crean instalaciones debajo de la superficie, a cientos de metros, ya que la idea es detectar partículas que tengan débil interacción, por ende, si llegan a esas distancias bajo suelo, es porque no interactuaron con otras partículas antes.

Algunos experimentos intentan reproducir condiciones naturales extremas, como ocurre en el LHC, el Gran Colisionador de Hadrones. La idea es que al hacer colisionar protones a gran velocidad, surgen nuevas partículas. También se investiga en el sentido inverso: si las partículas "normales" vienen en dos versiones, ya que también existen las anti-partículas, entonces quizás ocurra lo mismo con la materia oscura. De ese modo, la materia oscura podría aniquilarse y como consecuencia producir otras partículas que sí sean conocidas. Por eso se investiga a los neutrinos, como en el experimento Super Kamiokande, ya que un exceso de neutrinos podría implicar que son producto de la aniquilación de materia oscura. 

Fig. 4: Mapa "3D" de materia oscura realizada con datos obtenidos con el telescopio Subaru.

RESULTADOS Y ANTI-RESULTADOS
Hasta ahora no se detectó materia oscura. Pero sí hubo un avance en que se restringieron sus posibilidades, ya que al investigar posibles candidatos de materia oscura en ciertos rangos de energía y no encontrar nada, se puede hacer más estrecha la búsqueda. Como contrapartida, los rangos de energía que quedan por investigar son dificultosos.
Como si esto fuese poco, los propios experimentos pueden producir falsos positivos, ya que la materia que rodea a los experimentos puede generar señales dando a pensar que hubo una detección de lo buscado, aunque en realidad es otra cosa.

Vale recordar que en Argentina se hizo un experimento para buscar materia oscura, que conté en su momento en el post "DEMOS un vistazo a la materia oscura" (ver enlace abajo).

Que los resultados de no encontrar se consideren "positivos" no es raro. Es como perder las llaves de casa. Si no las encontramos, al menos es un avance saber dónde no están, ya que eso reduce la búsqueda, pero también la hace más difícil, ya que muchas otras opciones no quedan o son difíciles de investigar (por ejemplo, debajo de la heladera).

CONCLUSIÓN
El concepto de materia oscura no es "solo" una hipótesis, una sospecha o suposición. Es una hipótesis basada en muchos datos observacionales ratificados y mejorados en las últimas décadas. La discrepancia entre teoría y observación es tan grande que difícilmente se pueda explicar por fenómenos ya conocidos.
Sin embargo, que no se haya detectado y caracterizado a la materia oscura plantea la posibilidad de que, al final, no exista. Es un desafío a la soberbia: o bien lo que se supo de la composición material del universo era en gran medida erróneo e incompleto; o bien la materia oscura no existe, pero entonces tendría que haber otra explicación tanto para las lentes gravitacionales en los cúmulos, como para la rotación de las galaxias e incluso para su formación. En cualquier caso, con o sin materia oscura, es seguro que falta saber algo importante. Dadas las evidencias y todo lo publicado, los físicos y astrónomos piensan que la materia oscura es una idea demasiado buena para ser falsa. También se dijo lo mismo del calórico y del éter, que sin embargo, no existen.

La historia de la materia oscura, cualquiera sea su resultado, formará parte del gran libro de la historia de la ciencia, incluyendo la historia de su nombre.

Invisible, transparente, exótica, oculta: ¿Por qué materia "oscura"?
La física Lisa Randall afirmó en Nature hace unos años que a la materia oscura debería llamársela "materia transparente". No sería tampoco una buena idea, ya que los materiales transparentes sí interactúan con la luz (los electrones de esos materiales absorben fotones, pero los vuelven a emitir, ya que no tienen la energía suficiente para cambiar de nivel).
La palabra "oscuro" (dark, en inglés) se ha usado en astronomía en varias ocasiones. Urbain Le Verrier consideró, por ejemplo, la existencia de un "planeta oscuro" cercano a Mercurio. Los agujeros negros, las enanas marrones y negras (o "estrellas oscuras") y las nebulosas de absorción (nebulosas oscuras) -como la nebulosa Saco de Carbón- son algunos ejemplos del uso de la palabra en astronomía. En general, el sentido que se le da es que se trata de objetos o fenómenos de difícil observación.
Gianfranco Bertone y Dan Hooper publicaron una historia de la materia oscura (en inglés) que vale la pena conocer e incluye el origen del término. Pero es una historia inconclusa. 

Mientras tanto, por las dudas, miremos debajo del lavarropas. Quizás hallemos que la materia oscura está junto a esa media que perdimos hace tiempo.





Fuentes y enlaces relacionados
NASA: A Matter of Fact

What dark matter is (probably) not

The Alternative to Dark Matter May be General Relativity Itself

Mass to Light Ratios

The mystery of dark matter

Oscilaciones acústicas bariónicas

Subaru: Unprecedentedly Wide and Sharp Dark Matter Map

Nature: What Is Dark Matter?, por Lisa Randall

A History of Dark Matter
Gianfranco Bertone, Dan Hooper
arXiv:1605.04909 [astro-ph.CO]

NASA Finds Direct Proof of Dark Matter

DEMOS un vistazo a la materia oscura

Sobre las imágenes
Fig. 1: Wikipedia
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Rotation_curve_of_spiral_galaxy_Messier_33_(Triangulum).png

Fig.2 : Ilustración lentes gravitacionales: NASA/CXC/M. Weiss.

Fig. 3: X-ray: NASA/CXC/CfA/M.Markevitch et al.; Optical: NASA/STScI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al.; Lensing Map: NASA/STScI; ESO WFI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al.

Fig. 4: Mapa 3D materia oscura: Credit: University of Tokyo/NAOJ

Imagen inicial: Hubble Makes Unexpected Dark Matter Discovery

Fig. 5: @buena.suertecba
https://gramho.com/media/2116173043231860816

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