¿De qué está hecho el universo? El Cúmulo Bala, Harry Potter y la materia oscura

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Fotografía: NASA
Cúmulo Bala. Fotografía: NASA (CC)

La naturaleza, a veces, nos propone juegos del escondite en los que juega con ventaja, juegos para los que una capa de invisibilidad es un instrumento de aficionado. El juego del que hablaremos hoy empieza aquí mismo: en la habitación, frente a mi ordenador; en la cafetería, cruasán y tableta en mano. Si nuestro oponente fuese ataviado en plan Harry Potter nuestra primera jugada habría de ser cerrar puertas y ventanas; la primera del otro buscar un espacio abierto, no dejarse acorralar. Porque el oponente invisible es, por lo menos, sólido, palpable; todos los manuales recomiendan cubrir el suelo de harina, fumarse un cigarrillo y esperar a que el humo, impasible como las leyes de la física, haga el trabajo que nuestros ojos no han sabido hacer solos.

El oponente de que hablamos hoy será mucho más cuidadoso. Está aquí mismo, en la habitación, en la cafetería. Está a su espalda y está frente a mis ojos, pero el polvo de la mesa no lo delata, al humo del cigarrillo no le inmuta su presencia. Entre sus debilidades no está la de ser palpable; nuestra piel no lo detiene, tampoco el hormigón de los muros o la roca de las montañas. Es, de pleno derecho, un fantasma. Está en mi interior y en el suyo; viene del espacio exterior y ha atravesado con tanta facilidad la atmósfera como atravesará la esfera terrestre al completo. Los físicos, que disfrutamos con esto de los nombres, le hemos encontrado uno propio del mejor pulp: materia oscura. Pero qué más quisiéramos que fuese oscura: entonces, aunque no la viéramos a ella, podríamos ver su sombra; un nombre más apropiado sería probablemente materia transparente.

La materia oscura es el no va más de los diseños naturales en cuanto a camuflaje: no emite luz, no absorbe luz y no la refleja; no huele, no se le puede tocar y no les estoy haciendo trampa. Tampoco emite electrones ni neutrinos ni ninguna de esas porquerías. Entonces, ¿acaso existe? ¿Nos hemos embarcado los físicos en la búsqueda de la nada?

Por suerte, como en las novelas de detectives de antes, no existe el crimen perfecto. La materia, oscura o no, es materia, y hay una cosa que seguro que hace: gravitar. La materia atrae a la materia, y así es como descubrimos a nuestro archienemigo de hoy en la década de los treinta del siglo pasado: resultó que algunas galaxias giraban como si tuvieran mucha más materia de la que podíamos ver. Con el paso del tiempo se vio que no solo dentro de las galaxias, sino también en el espacio entre galaxias, parecía haber más cosas de las que los telescopios nos permitían encontrar. En todos los casos fue la gravedad la que nos hizo el trabajo sucio: fue el humo del cigarrillo quien reveló a nuestro oculto oponente después de miles de años de vivir en el anonimato.

En ese punto alguien formuló una pregunta interesante: si es la gravedad la que nos está diciendo que la materia oscura está ahí, ¿deberíamos fiarnos de ella? Nuestros tiempos ya no son como los de antes: la primera ley de la gravedad, la de Newton, fue destronada por otra, la de Einstein, y muchos científicos tienden a pensar que las leyes naturales son transitorias y que siempre acaban siendo sustituidas por otras mejores. ¿Está de verdad la materia oscura ahí afuera o es la primera pista de que la gravedad no es como creemos que es?

La foto de hoy, que encabeza este texto, es uno de los asaltos definitivos en favor de la existencia de la materia oscura. En ella vemos un lejano grupo de galaxias; en rojo, en falso color, está señalado dónde se encuentra casi todo el gas, formado por materia como la nuestra; en azul aparecen dos burbujas en las que se concentra la mayoría de la materia de este grupo, que forzosamente ha de ser de otro tipo.

Una de las dudas más serias que levanta la materia oscura es que casi siempre aparece mezclada con la materia que conocemos, como en nuestra galaxia, como en la Tierra. Al ser la gravedad la única manera de «ver» la materia oscura, el hecho de que esté mezclada no nos permite distinguir si de verdad hay un nuevo tipo de materia o es que la materia de toda la vida tiene «un nuevo tipo de gravedad». En la foto vemos un grupo de galaxias que se ha hecho famoso entre los físicos, el Cúmulo de la Bala. En realidad no es un grupo, sino dos que chocaron hace muchos millones de años, durante la época de los dinosaurios. «Chocar» es un decir: en estos grupos las galaxias están tan separadas que casi nunca chocan de verdad; más bien pasan de largo, muy lejos las unas de las otras. Efectivamente, la mayoría de las galaxias de la foto no están colisionando, sino que aparecen en dos grupos: uno grande, a la izquierda, y otro más pequeño a la derecha, más o menos coincidiendo con las manchas azules. Pero en los grupos de galaxias sí que hay otras cosas que podrían sentir el golpe: el espacio intergaláctico está lleno de gas muy difuso, y dos bolsas de gas chocando una con la otra no van a quedarse impasibles. Van a comprimirse la una contra la otra y van a calentarse tanto como sus velocidades permitan; y se mueven realmente rápido, que para eso son pequeños trocitos de universo.

Esto es lo que se ve en rojo en la foto: son rayos X emitidos por gas a casi cien millones de grados. El grupo de la derecha se movía tan rápido que el gas formó una onda de choque al atravesar el otro, adquiriendo esa característica forma de «bala» que da nombre a todo el cúmulo. Así pues, en esa zona intermedia es donde se encuentra casi toda la materia del tipo que conocemos, porque en el universo hay mucho más gas difuso que estrellas y galaxias.

Hablando de galaxias: ¿por qué no hay casi ninguna en la zona roja? Si acabamos de decir que casi toda la materia está ahí, la gravedad debería tirar de ellas hacia ese punto, y sin embargo están tozudamente separadas, un grupo a la izquierda y otro a la derecha. Bien, podemos hacer la prueba del algodón: gracias a la teoría de la relatividad de Einstein sabemos que la gravedad atrae también a la luz, y como consecuencia las imágenes se distorsionan ligeramente cuando pasan cerca de una gran concentración de materia. Este efecto, llamado lente gravitatoria, nos permite ver dónde hay más materia observando qué les pasa a los rayos de luz. Cuando lo aplicamos al Cúmulo de la Bala… ¡sorpresa!, resulta que la mayor parte de la materia no está en el centro, está en los lados, justo donde están las galaxias. Eso es lo que marca el color azul. En el Cúmulo de la Bala, por primera vez, pudimos presenciar a la materia oscura separada de la materia de toda la vida. El billar cósmico en esta ocasión jugó a nuestro favor: hizo falta que chocaran dos grupos de galaxias para separar el gas, enrabietado en su tormenta de rayos X, de la materia oscura, que plácidamente, como corresponde a un fantasma, simplemente pasó de largo llevándose a las galaxias consigo.

La naturaleza desde su atalaya a veces nos propone juegos del escondite en los que juega con ventaja; por fortuna otras veces cambia de opinión y también nos ofrece espectáculos como el del Cúmulo de la Bala, que con una imagen nos explica de qué está hecho el universo.

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16 comentarios

  1. Menos mal: alguien que formula la pregunta correcta. Hay esperanza.

  2. En serio que hablando sólo de materia «no oscura» una nube de gas tiene más masa que un cúmulo de galaxias de volumen parecido?

    • Alberto

      Precisamente das en el clavo: el volumen de las galaxias es muy pequeño comparado con el del cúmulo. Las galaxias son más densas, pero mucho más pequeñas. Entre nuestra galaxia y la de Andrómeda (las dos mayores de nuestras cercanías) cabe nuestra galaxia 10 veces. Todo ese espacio está lleno de gas difuso intergaláctico. A mí también me costó creerlo al principio, pero hay diez veces más masa en forma de gas que en forma de estrellas.

  3. Felipe

    Me ha dado curiosidad: ¿se sabe por qué esas gigantescas nubes de gas difuso no se comprimen por la gravedad de su propia masa? Saludos!

    • Alberto

      Bueno, no soy un experto en formación de galaxias, pero si no voy errado para que el gas colapse bajo su propia masa las partículas que lo forman han de perder primero velocidad. Como el gas intergaláctico está extremadamente caliente (o sea, los átomos e iones que lo componen se mueven muy rápido), y además es muy poco denso los iones tardan mucho en chocar unos con otros y perder velocidad. He echado una ojeada por ahí (en realidad en Wikipedia, sorry about that ^_^’) y he visto que de hecho esperamos ver evidencias de ese enfriamiento, pero no las encontramos, y éste es un problema abierto en astrofísica de plasmas. Por lo que veo la gente piensa que el gas intergaláctico tiene que estar siendo calentado por otras fuentes, lo que impide que colapse sobre sí mismo, pero cuáles son esas fuentes es tema de debate. El candidato más sencillo es los núcleos de las galaxias, que se sabe que en algunas de ellas son violentos y arrojan grandes chorros de materia al medio intergaláctico. Con todo y con ello, lo que sí observamos es que el gas es más denso en el corazón de los cúmulos, como cabría esperar, pero no vemos señales de que esté enfriándose. ¡Qué cosas que aprende uno!

  4. Vellana

    Pero entonces ¿toda la evidencia en que se apoya la postulación de la materia oscura es de tipo gravitacional, y que, como donde hay materia hay gravedad, entonces donde hay gravedad tiene que haber materia (como cuando neptuno)?
    Un saludo.

    • Alberto

      Así es. Es un principio sencillo pero en extremo poderoso. Aun así, hay varios fenómenos asociados a él: la velocidad a la que giran las galaxias, el tamaño de los cúmulos, la intensidad de las lentes gravitatorias que crean… son toda una familia de efectos, pero todos ligados a la gravedad.

      Por ahora. Esta semana ha aparecido un paper que, por primera vez, dice haber encontrado evidencia de interacciones no gravitatorias entre la materia oscura. Básicamente observan cúmulos en colisión como el de la Bala, y encuentran que alguna de las nubes de materia oscura se ha «retrasado» respecto a las galaxias, como si algo la hubiera retenido, y deducen que ese algo es «viscosidad» entre las nubes de materia oscura. Es un resultado emocionante, pero no lancemos las campanas al vuelo: algo tan importante como esto requiere que más de un experimento lo encuentre. Pero si se confirma sería una graaan noticia!

  5. Lo más interesante de nuestro entorno universal es aceptar que siempre ha existido y existirá, y así el espacio-tiempo que nos rodea y nos hace inventar pasados creadores y futuros divinos se disuelve como un azucarillo en la tormenta de nuestra finitud.

    http://casaquerida.com/2015/04/16/perdemos/

  6. Pingback: ¿De qué está hecho el universo? El Cúmulo Bala, Harry Potter y la materia oscura

  7. dololwin

    Estimado señor Aparici :

    Gracias

    Hacen falta mas articulos como estos, accesibles al gran publico (que me considero, mis estudios de fisica no pasaron del antiguo C OU) amenos claros y realmente explicativos.

    Felicidades por el articulo.

  8. Me ha encantado. Gracias por publicar artículos tan interesantes y amenos.

  9. Muy interesante!! Gracias por la explicación.

  10. Carlos

    Ameno, conciso, bien escrito. ¡Bravo!

  11. entonces, ?es posible que toda la energía que podemos ver se esté transformando en energía oscura?

    • Transformando no: que sepamos, la materia ordinaria no desaparece ni se transforma en otra cosa, así que en ese sentido estamos «seguros». De la materia oscura sabemos muy poco, así que no podemos decir (todavía) si está cambiando o se mantiene constante. Y en cuanto a la energía oscura, es completamente otra historia: también sabemos poquísimo de ella, menos aún que de la materia oscura, y por ahora da la impresión de que aparece de la nada, crece junto con el crecimiento del universo. Por ahora la energía oscura es un misterio de los gordos gordos. Dará para otro artículo para ella sola ;-)

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