El término «materia oscura» suena exótico, y tal vez lo sea, aunque su definición es bastante mundana. La mayoría de las cosas que vemos en el universo brillan porque emiten o reflejan luz. Las estrellas titilan porque emiten fotones, y los planetas brillan porque reflejan la luz del Sol. Sin esa luz, simplemente no los vemos. Cuando la Luna pasa por la sombra de la Tierra, se queda a oscuras; cuando las estrellas se extinguen dejan cascarones demasiado tenues para verse; incluso un planeta tan grande como Júpiter sería invisible si pudiera liberarse y alejarse del Sol. Así que, a primera vista, quizás no sea una gran sorpresa que buena parte de las cosas que hay en el universo no brillen. Es materia oscura.
El lado oscuro Aunque no podemos ver la materia oscura directamente, podemos detectar su masa a través de su atracción gravitatoria sobre otros objetos astronómicos y también en los rayos de luz. Si no supiéramos que la Luna está donde está, podríamos inferir su presencia porque su gravedad seguiría tirando y perturbando ligeramente la órbita de la Tierra. Incluso hemos usado el bamboleo causado por la gravedad en una estrella madre para descubrir nuevos planetas alrededor de las estrellas lejanas.
En la década de los años treinta del siglo XX, el astrónomo suizo Fritz Zwicky se dio cuenta de que un cúmulo gigante cercano de galaxias se comportaba de manera que implicaba que su masa era mucho mayor que el peso de todas las estrellas de las galaxias que había en él. Dedujo que algún tipo de materia oscura desconocida era responsable de 400 veces el mismo material que la materia luminosa, estrellas brillantes y gas caliente, por todo el cúmulo. La gran cantidad de materia oscura fue una gran sorpresa, lo que implicaba que la mayoría del universo no eran estrellas y gas, sino otra cosa. Entonces, ¿qué son esas cosas oscuras? ¿Y dónde se esconden?
A las galaxias espirales también les falta masa. El gas en sus regiones exteriores gira con más fuerza de lo que debería hacerlo si la galaxia pesara sólo como la suma de las masas de todas las estrellas que contiene. Por tanto, ese tipo de galaxias son más grandes de lo que cabría esperar atendiendo sólo a su luz. De nuevo, la materia oscura extra debe ser cientos de veces más abundante que las estrellas y el gas visibles. La materia oscura no sólo se reparte entre las galaxias, sino que su masa es tan grande que domina los movimientos de cualquier estrella que esté entre ellas. La materia oscura incluso se extiende más allá de las estrellas, formando un «halo» o burbuja alrededor de cualquier disco de galaxia en espiral plana.
Incremento de peso Los astrónomos han localizado materia oscura no sólo en galaxias individuales, sino también en cúmulos que contienen miles de galaxias unidas por su gravedad mutua, y en supercúmulos, cadenas de cúmulos de galaxias en una amplia red que se extiende por todo el espacio. La materia oscura se encuentra dondequiera que haya gravedad, a cualquier escala. Si sumamos toda la materia oscura, descubrimos que hay mucha más materia oscura que materia luminosa.
El destino de todo el universo depende de su masa total. La atracción de la gravedad sirve de contrapeso para la expansión del universo que siguió a la explosión del Big Bang. Hay tres posibles resultados. O bien el universo es tan masivo que la gravedad gana y acaba volviendo a contraerse sobre sí mismo (un universo cerrado que acaba con un Big Crunch), o hay demasiada poca masa y se expande para siempre (un universo abierto), o bien está equilibrado con gran precisión y la expansión disminuye gradualmente por la gravedad, pero en un proceso tan largo que nunca cesa. La última opción parece la mejor para nuestro universo: tiene precisamente la cantidad correcta de materia para disminuir la velocidad de su expansión sin llegar a detenerla.
Cantidad de energía
Hoy sabemos que sólo un 4 por 100 de la materia del universo está formada por bariones (la materia normal que incluye protones y neutrones). Otro 23 por ciento es materia oscura exótica, que, con certeza, no está formada por bariones. Resulta más difícil saber de qué está hecha, pero podrían ser WIMP. El resto de la cantidad total de energía del universo consiste en algo totalmente diferente, es energía oscura (véase la p. 86).
WIMP y MACHO ¿De qué está compuesta la materia oscura? En primer lugar, podríamos encontrar nubes de gas oscuras, estrellas tenues y planetas sin iluminar. A todos ellos se los denomina MACHO, las siglas de Massive Compact Halo Objects (objeto astrofísico masivo de halo compacto). Por otro lado, la materia oscura podría estar formada por nuevos tipos de partículas subatómicas, llamados WIMP, de Weakly Interacting Massive Particles (partículas masivas débilmente interactivas), que no tendrían efectos en otra materia o en la luz.
Los astrónomos han descubierto MACHO vagando por nuestra propia galaxia. Como los MACHO son muy grandes, parecidos al planeta Júpiter, pueden detectarse individualmente por su efecto gravitatorio. Si un planeta grande de gas o una estrella fallida pasa por la parte trasera de una estrella, su gravedad hace que la luz estelar se curve a su alrededor.
La curvatura centra la luz justo cuando el MACHO está delante de la estrella, de manera que la estrella parece mucho más brillante en dicho momento. A este fenómeno se le llama «lente gravitacional».
En términos de la teoría de la relatividad, el planeta MACHO provoca una distorsión en el espacio-tiempo, como si se presionara una pelota pesada sobre una lámina de goma, que hace que el frente de onda de la luz se curve a su alrededor (véase la p. 97). Los astrónomos han buscado este resplandor de las estrellas durante el paso de un MACHO frente a ellas sobre millones de estrellas de fondo, pero sólo han descubierto unos cuantos estallidos, muy pocos para explicar la masa que falta de la Vía Láctea.
«El universo está formado mayoritariamente por materia y energía oscura, y no sabemos de qué está formada ninguna de las dos.»
Saul Perlmutter
Los MACHO están hechos de material normal, o bariones, formados por protones, neutrones y electrones. El límite más ajustado de la cantidad de bariones que hay en el universo se obtiene rastreando el isótopo de hidrógeno pesado deuterio. El deuterio se produjo sólo durante el propio Big Bang y no se formó posteriormente en las estrellas, aunque puede quemarse en su interior. Por tanto, midiendo la cantidad de deuterio en las nubes de gas primordial en el espacio, los astrónomos pueden calcular el número total de protones y neutrones que se hicieron en el Big Bang, porque el mecanismo para hacer deuterio se conoce con gran precisión. Resulta que esto es sólo un pequeño tanto por ciento de la masa de todo el universo, de manera que el resto del universo debe estar formado por elementos totalmente diferentes, como las WIMP. La búsqueda de WIMP se sitúa ahora en el centro de atención. Como son de interacción débil, estas partículas resultan intrínsecamente difíciles de detectar. Un candidato es el neutrino. En la década pasada, los físicos han medido su masa y han descubierto que es muy pequeña pero superior a cero. Los neutrinos forman parte de la masa del universo, pero no toda. Así que todavía queda espacio para que haya más partículas exóticas ahí fuera, que esperan a ser detectadas, algunas de ellas nuevas para la física, como los axiones y los fotinos. Comprender la materia oscura puede ayudarnos a arrojar luz al mundo de la física.
Cronología:
1933: Zwicky mide la materia oscura en el cúmulo Coma
1975: Vera Rubin demuestra que la materia oscura afecta a la rotación
1998: Se deduce que los neutrino tienen una masa pequeña, pero no nula
2000: Se detectan MACHO en la Vía Láctea
La idea en síntesis: el lado oscuro del universo