Parte I, La Materia Oscura no existe
La materia oscura no existe y el universo es el doble de viejo de lo que pensábamos, asegura un reciente artículo publicado en El Confidencial:
El titular sugiere que la noticia va a presentar evidencia que sustente tan rotundas afirmaciones. En otro caso, suponemos, habrían escogido una fórmula diferente: como, por ejemplo, De acuerdo a un reciente trabajo teórico la materia oscura no existe[1]. También, de manera implícita, se entiende que el autor del artículo se ha estudiado (y ha entendido) el material que presenta. ¿Verdad? Porque, si no es así, estaríamos ante un triste ejemplo de recurrir al titular escandaloso como cebo, o peor aún, ante un ejemplo de falta de seriedad profesional, presentando con titulares morbosos un trabajo mal digerido. En otras palabras, estaríamos ante un ejemplo más de tomar al lector por tonto, una actitud que sólo puede, a la larga, redundar en perjuicio de quien la sostiene.
Consideremos pues la cuestión: ¿Existe la materia oscura?
Figura 1. La historia del Universo de acuerdo al modelo ΛCDM.
El modelo ΛCDM, que ahora mismo es el más favorecido por los datos observacionales para describir la evolución del Universo, mezcla varios ingredientes: el Big Bang o Gran Explosión, el periodo inflacionario, y un contenido de materia y energía variado y misterioso que rige la dinámica global del Cosmos desde las ecuaciones de la Relatividad General de Einstein. Cada ingrediente se apoya en muchas columnas observacionales, que según el caso son más o menos abundantes y más o menos robustas; y, como todos los paradigmas de la ciencia, está sujeto a permanente crítica y revisión. Pero vayamos por partes, contando primero el resumen de la película.
La figura 1 nos muestra la historia del universo tal como la entiende el modelo ΛCDM. En el principio fue el Big Bang, un fenómeno singular en que se crea el espacio-tiempo a la vez que toda la materia y energía que este contiene. Una fracción infinitesimal de segundo más tarde el universo sufre un proceso de rápidisima expansión inicial, denominado inflación (empieza 10-43 s tras el Big Bang y termina 10-32 s tras el Big Bang). El universo primitivo resultante es un plasma extremadamente caliente (hasta 1027 grados) formado por las partículas elementales que conocemos gracias a los experimentos de física subatómica: quarks, leptones, fotones y gluones. Al cabo de un microsegundo (10-6 s) la expansión ha enfriado el universo lo suficiente como para que los quarks y los gluones queden atrapados en protones y neutrones, que poco después (una centésima de segundo tras el Big Bang) empiezan a sufrir procesos de fusión nuclear: esta es la Nucleosíntesis Primordial, que en el margen de pocos segundos forma (casi exclusivamente) los núcleos elementos más sencillos, el hidrógeno y el helio, en proporciones aproximadas 80%-20%.[2] A estas alturas, el plasma aún está tan caliente que los núcleos son incapaces de capturar los electrones, que siguen circulando a altísimas velocidades; como hay cargas eléctricas libres por todas partes, los fotones, que forman la luz, interactúan con ellas continuamente, y apenas si pueden moverse sin ser absorbidos o emitidos. En otras palabras: el Universo es opaco. Pero sigue expandiéndose y enfriándose, hasta que, unos 380.000 años después del Big Bang, ocurre algo dramático: cuando la temperatura es de unos 3.000 grados, los electrones son lo suficientemente lentos como para ser capturados por los núcleos de hidrógeno y helio y formar átomos neutros. Ahora los fotones pueden moverse tranquilamente, y el Universo se vuelve trasparente: fiat lux!
Figura 2. La expansión del universo crea el fondo cósmico de microondas (CMB).
La reliquia de esa «primera luz» es el fondo cósmico de microondas o CMB[3], de sus siglas en inglés. Desde el momento en que esa radiación se libera, el Universo se ha expandido y se ha enfriado. El CMB ha sufrido el mismo proceso, ya que el espacio tiempo se ha “estirado”, y con él todas las escalas de longitud. La luz es una onda y al estirarse cambia su escala de longitud característica (y por tanto su frecuencia). Hoy podemos detectar el CMB en frecuencias de microondas que se corresponden a escalas de longitud mucho más largas que las que nuestros ojos pueden ver, pero han sido observadas con exquisita precisión por los telescopios WMAP[4] y Planck[5], entre otros.
Después de que la luz se desacopla, todo se ralentiza bastante. La gravedad entra en juego y empieza a condensar la materia, con lo que se forman las primeras galaxias.
Figura 3. Esta imagen, en falso color muestra dos galaxias (en blanco), conectadas por un puente de materia oscura (en rojo). Imagen: S. Epps & M. Hudson / Universidad de Waterloo.
Figura 4. Imagen de la estructura a gran escala del Universo, mostrando filamentos y vacíos dentro de la estructura cósmica. Esta tela de araña cósmica sería muy diferente sin la presencia de materia oscura. Crédito: Millennium Simulation Project.
De hecho, la mayor parte de la materia que se produce después del Big Bang de acuerdo con el ΛCDM no es materia ordinaria o visible, sino materia oscura, cuya constitución sigue siendo misteriosa: podrían ser partículas (relativamente) pesadas, que se mueven lentamente en comparación con la velocidad de la luz; u otros objetos hipotéticos, como por ejemplo, agujeros negros primordiales (es decir, no formados como la reliquia de una muerte estelar). Ahora bien: si no sabemos qué es la materia oscura, ¿por qué pensamos que está ahí? Esta es la pregunta clave, a la que se responde con resultados observacionales. Hay muchísimas evidencias de que el universo contiene unas cuatro o cinco veces más materia oscura que materia ordinaria. Lo que sabemos de ella es que no está sujeta a interacciones electromagnéticas (ergo, no emite ni absorbe luz: es oscura), y que, como cualquier otro tipo de energía o materia, está sujeta a la acción de la gravedad. Y los efectos gravitacionales son nuestros «ojos» para ver la materia oscura. De esto hablaremos luego; veamos antes cuáles son los efectos de la presencia de materia oscura en la evolución cósmica.
El Big Bang resulta en una distribución muy uniforme del plasma inicial de partículas, pero no exenta de pequeñas irregularidades; tenemos prueba de que esas irregularidades son reales midiendo la distribución de temperaturas del CMB que, a pesar de ser muy regular, presenta diminutas fluctuaciones. Pues bien, esas pequeñas irregularidades resultan en zonas del universo donde hay más densidad de materia (ordinaria y oscura). En esas regiones, la materia visible se va agrupando: de esta manera se forman aglomeraciones de átomos de hidrógeno que dan lugar primero a las estrellas, y luego a las galaxias (figura 3), que a su vez se agrupan en una vasta tela de araña cósmica (figura 4).
Figura 5. Imagen de rayos X (rosa) superpuesta sobre una imagen de luz visible (galaxias), con distribución de materia calculada a partir de lentes gravitacionales (azul) en el Cúmulo Bala. [Imagen: NASA/CXC/M. Weiss – Chandra X-Ray Observatory]
Y ahora llegamos al meollo de la cuestión. Según nos informa el titular de El Confidencial, La Materia Oscura no existe.
Nada de eso. La existencia de la materia oscura está establecida por numerosas observaciones cosmológicas. Una particularmente interesante se corresponde al Cúmulo Bala, formado en realidad por la colisión de dos cúmulos de galaxias que están pasando uno a través del otro. Esto permite distinguir muy bien los tres componentes básicos de las galaxias (estrellas, gas y materia oscura), gracias a sus diferentes propiedades colisionales.
La figura 5 muestra una imagen compuesta del objeto conocido como 1E 0657-56 (Bullet Cluster), formado tras la colisión de dos grandes cúmulos de galaxias. El gas caliente detectado por el telescopio Chandra, a través de los rayos X muy energéticos que emiten los átomos excitados que lo constituyen, se ve como dos conglomerados de color rosa. El de la derecha, con forma de bala, es el del cúmulo más pequeño, mientras que a la izquierda está el del cúmulo mayor. Esta es materia ordinaria: emite luz, concretamente rayos X. La pregunta que podemos hacernos a continuación es: ¿coincide la posición de estas nubes de gas con la mayor concentración de materia en el cúmulo?
Para responderla, podemos usar una de las consecuencias más bonitas y espectaculares de la Relatividad General: el llamado efecto de lente gravitacional (LG). Supongamos que hay una concentración grande de materia y/o energía entre nosotros y un objeto muy, muy lejano. La presencia de materia y energía deforma el espacio-tiempo; como la luz siempre sigue el camino más corto, su trayectoria se curvará alrededor de esa materia/energía interpuesta, deformando la imagen de los objetos que estén tras ella. A escalas de cientos o miles de millones de años luz, estos efectos se acumulan, y usando las imágenes de nuestros telescopios más potentes es posible desentrañarlos para dibujar un mapa de la distribución de materia. En el caso del Cúmulo Bala, el resultado es que el mapa se parece poco al de las nubes de gas, que trazábamos gracias a los rayos X: la mayor parte de la masa está en las nubes azules, que son las descritas por el efecto LG.
¡Sorpresa! La mayor parte de la masa está claramente separada del gas y por lo tanto es invisible (de ahí que le llamemos materia oscura). Para explicar la diferencia, es necesario suponer que los constituyentes de la materia oscura han interaccionado mucho menos que los átomos de gas durante el cruce de los cúmulos: de ahí la hipótesis del ΛCDM de que la materia oscura está “fría” (no es relativista), que interacciona muy débilmente (si estuviera formada por partículas, interactuaría tan poco como los neutrinos, o incluso menos) y que sin embargo es muy abundante (como puede verse por sus efectos gravitatorios).
El Cúmulo Bala no es la única observación que da fe de la existencia de la materia oscura. Su presencia puede observarse en las fluctuaciones del CMB, en el tamaño de las imágenes de cuásares lejanísimos deformadas por el efecto LG, en las curvas de rotación de las galaxias (¡gracias, Vera Rubin!), en la estructura a gran escala del universo… En otras palabras, o bien muchísima física que parecemos entender bien es radicalmente incorrecta… o La Materia Oscura existe. Como decíamos antes, aún no hemos podido determinar qué es (partículas que interaccionan débilmente, agujeros negros, una mezcla de varias cosas…). El artículo de El Confidencial hace referencia a los experimentos que buscan la detección directa de materia oscura, permitiéndose el lujo de ofrecer una frasecita pejiguera: “sin embargo, a pesar de los miles de millones invertidos en encontrar pruebas que demuestren su existencia, nunca hemos llegado a detectarla[6].” Es cierto. No la hemos detectado directamente todavía[7]. Pero las observaciones astrofísicas y cosmológicas son poderosísimas.
Entonces, ¿a qué viene el titular? Lo explicaremos en las siguientes entregas de esta serie.
[1] De hecho, encima del titular hay, en letras mucho más pequeñas: “según un reciente estudio”. Típico ejemplo de anzuelo al lector, titular escandaloso y aclaración en minúsculas.
[2] S. Weinberg explica los primeros tres minutos del universo en su obra maestra de la divulgación del mismo nombre: https://en.wikipedia.org/wiki/The_First_Three_Minutes.
[3] Ver, por ejemplo: https://www.space.com/33892-cosmic-microwave-background.html
[4] https://map.gsfc.nasa.gov/
[5] https://www.esa.int/Enabling_Support/Operations/Planck
[6] No vamos a entrar en este artículo en detalles de los costes de la investigación básica (en comparación, por ejemplo, con los gastos en armamento), aunque el coste total de todos los experimentos que buscan materia oscura probablemente no exceda el de los paseos espaciales de ciertos multi-billonarios. Tampoco vamos a entrar en el análisis del coste-beneficio (todos sabemos a estas alturas que la ciencia básica nos ha dado la penicilina, los rayos X, los tratamientos genéticos para luchar contra el cáncer, los transistores, el escáner PET, la web y las vacunas contra la Covid-19, por poner unos pocos ejemplos). Pero sí sugerimos al lector que sigua el link al que apunta el artículo. ¡Otra sorpresa! Los miles de millones a los que se refiere, aparentemente, el autor, están relacionados con los experimentos del LHC en el CERN, cuyo objetivo principal no es la detección directa de Materia Oscura. La noticia a la que hace referencia, por cierto, es otro ejemplo más de titular escandaloso y ciencia mal digerida.
[7] El lector curioso puede encontrar un estupendo ejemplo de experimento que busca directamente materia oscura aquí: https://xenonexperiment.org/
Gran artículo y muy pero que muy bien explicado, hacía tiempo que echaba de menos artículos así en Jot Down.
Gracias a los autores
Buen artículo, pero para responder a «El Confidencial» no son necesarios silogismos. Ese diario es una hoja parroquial. Basta con responderles: «La materia oscura existe. Mi cuñao es la prueba».
Muchas gracias por el artículo! Pero me surgen un par de dudas.
En la figura 5, me he tirado un rato intentando ver la parte azul… No se si la foto enlazada no es la correcta (dentro del artículo enlazado en la leyenda de la figura he visto una que me cuadra con la descripción) o no he conseguido entenderlo bien.
Y sobre la lente gravitacional: si no he entendido mal, la masa total de las galaxias en colisión distorsiona la luz de las galaxias que están detrás, con esa distorsión podemos calcular la posición de la mayor parte de la materia de estas galaxias, y compararla con la posición de la materia ordinaria, que es la que emite luz.
Lo que no entiendo es ¿cómo sabemos que la luz de esas galaxias distantes está distorsionada y en que medida para calcular la posición de la masa que hace de lente gravitacional?
Perdón por la turra, en cualquier caso gracias por la lectura!
El artículo aborda el tema de manera detallada y esclarecedora. Sin embargo, deseo señalar una imprecisión con respecto al ejemplo del Cúmulo Bala. Aunque este ejemplo se cita frecuentemente en múltiples artículos divulgativos sobre la materia oscura, su interpretación dentro del modelo LCDM es, como mínimo, un tema de debate (e.g. https://arxiv.org/abs/1003.0939, https://arxiv.org/abs/2012.03950). Según varios estudios (e.g. https://arxiv.org/abs/1405.6679), la probabilidad de observar una colisión con la velocidad necesaria para el Cúmulo Bala dentro del modelo LCDM es aproximadamente una en un millón. Por otro lado, modelos de gravedad modificada pueden prever colisiones a altas velocidades, aunque no son capaces de explicar el espectro de la radiación cósmica de fondo. En fin, usar el Cúmulo Bala como ‘pistola humeante’ para la materia oscura podría no ser tan concluyente como se piensa comúnmente…
Yo creo que la materia y energía oscuras son una hipótesis ad hoc que está perdiendo sentido a medida que se estudia con más detalle todo el tema. Las investigaciones que demuestran su no existencia son cada vez mayores. No es nada malo, es algo extraordinario que constituye la esencia misma del conocimiento científico.
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No hay ni un solo billonario en el planeta. Si vamos a ser precisos, seámoslo.
Hola, soy un peso argentino. Encantado
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https://www.jotdown.es/2023/10/juan-collar-entrevista/
la materia oscura es el eter https://www.jotdown.es/2023/10/juan-collar-entrevista/
si no tenemos observacion alguna directa o indirecta de algo…deducir que debe existir porque es la unica explicacion al movimiento nos retrotae a aristoteles y su primer motor y al argumento de san anselmo sobre dios
mas prudente es decir que observamos el movimiento pero no conocemos qué hace que se mueva así y que hay que seguir recopliando datos a ver qué encontramos
la imaginacion humana para construir lo inexistente es muy fuerte
Si no existiera la materia y la energía oscura, ¿Que otra teoría explicaría el aumento de velocidad de las galaxias lejanas?