El misterioso caso de la materia perdida

Sabemos que no hay nada más grande que el Universo. Lo que no sabemos es cuán grande es. La parte que es posible observar tiene, más o menos, un diámetro de 91 billones de años luz y esto es lo que una vez creímos que era todo lo que hay. Hoy día sabemos que es solo el 5% de la realidad. El 95% restante se nos escapa y no sabemos realmente qué es. Además de la materia que podemos ver, tocar, oler, sentir y, ocasionalmente gustar, habría que agregar algo bien extraño que no se ajusta a los modelos astronómicos en vigencia.

El primer aviso de esta extraña “materia perdida” lo dio el astrofísico Fritz Zwicky en 1937. Estudiando una colección de galaxias conocida como Coma Cluster descubrió la existencia de una fuerza gravitacional que pareciera provenir de una fuente invisible. Las galaxias son cuerpos vastos, como nuestra Vía Láctea, con un promedio de mas de 150 mil años luz de diámetro. Cada una de ellas al contener billones de estrellas tienen una enorme influencia gravitacional en su entorno y, como resultado, forman cúmulos con otras galaxias, todas ellas unidas por la gravedad.

La Coma Cluster se encuentra a unos 320 millones de años luz de nosotros y contiene más de mil galaxias. Cuando Zwicky empezó a analizar el comportamiento de este cúmulo en 1933, encontró algo bien extraño. De acuerdo a la teoría gravitacional este conjunto de galaxias no podría permanecer unido. En general, las cosas en el universo dan vueltas al igual que nuestro sistema solar. No es de extrañar entonces que el Coma Cluster también rota. Zwicky, al combinar la velocidad de rotación del clúster con una aproximación de la cantidad de materia existente en él, se llevó una tremenda sorpresa.

El clúster giraba tan rápido que a tal velocidad debería volar en pedazos. La gravedad sólo puede mantener los cuerpos en órbita a la velocidad correcta. Si un cuerpo en órbita viaja demasiado rápido, excederá la “velocidad de escape” del sistema, abandonándolo. Según los cálculos de Zwicky, el Coma Cluster giraba demasiado rápido para mantenerse unido. Para hacerlo necesitaría 400 veces más materia. La conclusión, es que debe existir una gran cantidad de materia que no puede ser detectada. A esta materia desconocida que mantiene la estabilidad del sistema le dio el nombre de “materia oscura”.

Esta idea de Zwicky no produjo tanta excitación como hoy día. Materia oscura era sólo eso: perfectamente ordinaria que resulta ser oscura. Más tarde, sin embargo, se descubrió que esta materia que no emite luz, incluso con la adición del concepto de agujero oscuro, no posee suficiente masa para explicar este extraño comportamiento. Hay algo misterioso en el universo, algo de lo cual ni siquiera teníamos idea de su existencia.

En 1976 la astrofísica Vera Rubin descubrió una anomalía de masa similar dentro de las espirales de las galaxias. Más allá del disco luminoso de la galaxia todavía se pueden encontrar algunas nubes de gas aisladas y algunas estrellas brillantes cuyas velocidades orbitales, que deberían estar cayendo con el aumento de la distancia, permanecían extrañamente altas.

Estos inmensos volúmenes de espacios vacíos ubicados en las zonas rurales de la galaxia contienen muy poca materia visible para explicar estas velocidades orbitales anormalmente altas. Según Rubin alguna forma de “materia oscura”, que no es materia, debe existir en estas lejanas regiones ubicadas más allá del borde visible de la galaxia. Gracias a sus trabajos, ahora se llama a estas zonas “halos de materia oscura”. A través del universo se estima que la materia oscura contiene más de seis veces la gravedad total de toda la materia visible.

Investigaciones posteriores han revelado que la materia oscura no es realmente materia ordinaria que sólo se ubica por debajo de la luminosidad. Es por ésto que los sospechosos de siempre han sido eliminados uno después del otro… todos ellos son finalmente materia ordinaria. La “materia oscura” ejerce la gravedad de acuerdo con las mismas reglas que sigue la materia ordinaria, pero no hace mucho más que permita detectarla. Si toda masa tiene gravedad ¿significa que toda gravedad tiene masa? No lo sabemos.

Lo que sabemos es que la materia a la que estamos acostumbrados, aquella que forma las estrellas, los planetas y la vida, es solo un “ligero glaseado en el pastel cósmico”. En el universo hay dos efectos contradictorios. La gravedad quiere hacer que las cosas se coagulen, pero la expansión quiere diluirlas. Si se hacen los cálculos, rápidamente se llega a la conclusión de que la gravedad de la materia ordinaria por sí sola nunca podría ganar la batalla.

Necesita la ayuda de esta otra cosa extraña para mantener la estabilidad. Sin ella, el universo no tendría estructura, ni clúster, ni galaxias, ni estrellas, ni planetas, ni vida. Para ello se necesita seis veces más gravedad que la que ofrece la pura materia ordinaria. Esto no nos dice qué es la “materia” oscura, sólo que sus efectos son reales y que éstos no se pueden adjudicar a la materia conocida. En el fondo no tenemos idea qué es. Y, sin embargo, necesita ser parte de los cálculos para llegar a una descripción del universo.

¿Podríamos estar viendo los efectos de fuerzas provenientes de otra dimensión? ¿Una gravedad ordinaria cruzando la membrana de un universo fantasma adyacente al nuestro? Si esto fuera así, se podría decir que este universo es uno de un infinito número de universos componiendo un Multiverso. Que sea así o no, el hecho permanece. La invocación de la gravedad de la “materia oscura” es esencial para entender la formación y evolución del universo.

Esto, por supuesto, no es toda la historia. La materia oscura contribuye con el 27% de todo lo que hay en el universo y lo que percibimos y captamos con instrumentos, con el 5%. El 68% restante es energía oscura. No es cosa pequeña ¿cierto?, casi dos tercios de todo lo que hay, lo que significa que debe jugar un papel bien importante en el drama cósmico. ¿Cuán importante? La “constante cosmológica” de Einstein, representada por la letra griega lambda, puede darnos una luz aquí.

En breve, éste es un termino matemático opcional que le permitió representar un universo estático. Su única función dentro del modelo teórico fue la de oponerse a la tendencia natural de la gravedad a contraerse y terminar en una sola masa gigantesca. El universo, tal como lo teorizó Einstein, no se expande ni se contrae.   Pero, ¡oh  sorpresa!, en 1929, el astrofísico Edwin P. Hubble, descubrió que el universo no es estático. Basado en convincentes evidencias encontró que cuanto más distante se encuentra una galaxia, mas rápido retrocedía de la Vía Láctea.

En otras palabras, el universo se está expandiendo. Frente a esta evidencia, Einstein, avergonzado por la constante cosmológica, que en el fondo no correspondía a ninguna fuerza conocida de la naturaleza, la descartó completamente, llamándola el “mayor error” de su vida. Sesenta y nueve años más tarde la ciencia trae de vuelta a Lambda.

En 1998 dos distintos equipos de astrofísicos, uno de la Universidad de Berkeley, en California, y el otro desde el observatorio Mount Stromlo en Camberra, Australia, anunciaron que docenas de las más distantes supernovas observadas hasta el momento aparecían notablemente más tenues de lo esperado, dado el comportamiento bien documentado de estas estrellas en explosión.

La única explicación es que ellas están 15% más lejos de lo previsto por los modelos cosmológicos vigentes. Pareciera que una fuente de energía desconocida estaba causando que la tasa de expansión del universo aumentara, en lugar de disminuir, como hasta ese momento se creía. Lo único conocido que puede explicar esta aceleración, según los astrofísicas, es la “constante cósmica”.

Cuando ellos la volvieron a poner de vuelta en las ecuaciones originales de Einstein, el estado del universo volvió a coincidir con el estado de las ecuaciones de Einstein. Ésta es la primera evidencia de que una fuerza repulsiva permea el universo, opuesta a la gravedad, razón por la cual la “constante cosmológica” resucita de entre los muertos. De pronto Lambda, que era solo un nombre vacío, adquiere realidad física y nombre: “energía oscura”, que empieza a ocupar uno de los lugares principales en el escenario cósmico.

Las mediciones más exactas revelan que la energía oscura es una de las cosas más prominentes del mundo, responsable del 68% de la masa-energía del universo. Una característica remarcable de Lambda y el universo en aceleración es que la fuerza repulsiva surge del interior del vacío y no de algo material. En tanto el vacío crece y la densidad de la materia y energía del universo disminuye, mayor es la influencia relativa de Lambda en los asuntos cósmicos.

Con una mayor presión repulsiva viene más vacío y con más vacío la presión repulsiva crece aún más, forzando una interminable aceleración exponencial de la expansión cósmica. Como consecuencia todo lo que esta fuera de la Vía Láctea retrocederá a una velocidad cada vez mayor. En un trillón de años, cualquiera que viva en nuestra galaxia nada sabrá de otras galaxias.

El universo observable consistirá solo de las estrellas que componen la Vía Láctea. Mas allá de nuestra noche iluminada por los cuerpos celestes, solo habrá un oscuro vacío interminable. A menos que haya un error matemático en los cálculos, la comunidad científica cree que algo pasa en el universo que produce un efecto importante que, por el momento, se le atribuye a la “materia oscura”.

Cuando se estudian las galaxias cercanas, los resultados sugieren que algunas de ellas parecieran tener solo un tercio de la materia normal que cabría esperar. Incluso a la Vía Láctea le falta alrededor de la mitad de su materia normal esperada. ¿Dónde está la otra mitad? Esta materia sigue perdida y todavía la materia y la energía oscura siguen siendo un enigma. No tenemos idea que son. Un gran hoyo negro existe en nuestra comprensión del cosmos, pero la materia y la energía oscura, de las que por ahora solo se tiene su nombre, seguirán siendo tan estimulantes para la investigación como siempre.