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Los cambios de paradigma en la actividad científica suelen llevar consigo la invención de nombres enigmáticos: materia oscura no es la excepción, e implícitamente sugiere incertidumbre y misterio. El propósito de este artículo es transmitir lo que representa, lo que no es y lo que podría ser, ilustrando al mismo tiempo pequeñas revoluciones científicas en el camino. Las revoluciones científicas fomentan los cambios de paradigma en la actividad científica —como explica el texto clásico de Thomas S. Kuhn en 2013—, y germinan a partir de un descubrimiento que contradice el conocimiento de la época.
Existen casos emblemáticos de la ruptura de paradigmas en la Física, algunos más destacados que otros. Para ilustrar la magnitud del reto en el problema de la materia oscura, comentaré acerca de la anomalía en la trayectoria de Mercurio, descubierta a partir de la colección de observaciones desde 1697 hasta 1848. Los datos astronómicos disponibles implicaban la precisión de la órbita de este planeta en 43 segundos de arco por siglo, una observación de gran precisión que no podía explicarse con las observaciones disponibles, incluso hasta inicios del siglo XX, considerando las leyes de Kepler contenidas en la teoría de Newton.
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Surgió así un problema inverso. Los hay de dos tipos: problema de la causa y problema del modelo. El primero plantea la búsqueda de explicaciones a un fenómeno sin la necesidad de modificar la teoría existente, es decir, sin la necesidad de cambiar el paradigma; la explicación de Urbain Le Verrier al problema de Mercurio, fue que habría un planeta cuya presencia perturba la trayectoria de Mercurio, el planeta Vulcano que nunca fue observado. El segundo problema busca desafiar al paradigma, en este caso la teoría newtoniana, para explicar el fenómeno. El desenlace fue la solución al problema del modelo, la recién formulada teoría general de la relatividad, la cual logró explicar la trayectoria de Mercurio sin la necesidad de suponer la existencia de Vulcano.
Sin embargo, la hipótesis de Vulcano no fue un capricho de Le Verrier, ya que el método de buscar un planeta que explicara el comportamiento de otro, había sido utilizado con éxito por él mismo al predecir, usando la teoría newtoniana, la existencia y posición de Neptuno a partir de observaciones sobre la órbita de Urano. Le Verrier había resuelto un problema de la causa con anterioridad.
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El caso de la materia oscura
Corre la época de los grandes descubrimientos cosmológicos, en especial el de Edwin P. Hubble, quien mostró en 1929, que en promedio, las galaxias vistas desde la Tierra se alejan, evidencia seguida de una explicación basada en la teoría general de la relatividad (TGR) que plantea el Universo en expansión, que permite la formación de galaxias y el resto de las estructuras. La evidencia, novedosa en ese entonces, es que existen las galaxias, conglomerados de estrellas, que poco antes de Hubble, eran consideradas simplemente nebulosas, galaxias que forman cúmulos y que contienen estrellas, que a su vez gobiernan planetas. Todas estas, estructuras constituidas por las mismas partículas que se supone estuvieron en etapas cercanas a una Gran Explosión: el Big Bang.
El Universo se expande debido a la Gran Explosión. Durante un lapso gobierna la dinámica de todo el gas existente, separando los átomos del gas; conforme se expande, la presión de ese gas primordial disminuye, las partículas del gas disminuyen su velocidad y, por tanto, la temperatura del gas disminuye también. El campo gravitacional ya no es tan intenso como al comienzo del tiempo, la presión del gas es muy menor y la velocidad del gas deja de ser alta. Es en ese momento cuando la atracción entre las partículas del gas puede dominar sobre la expansión cósmica, el gas comienza a formar colectivos de partículas de gas que se atraen y forman sobre densidades. Es así como se piensa que se formaron las galaxias, mediante el ensamblaje de materia que se atrae. El ensamblaje continúa mediante la atracción de galaxias y formará cúmulos de galaxias, y el de estos formará supercúmulos.
Es la observación de uno de estos cúmulos de galaxias lo que inició el problema. Fritz Zwicky a inicios de los años 1930, concentra sus observaciones en el cúmulo de Coma, interesado en el estudio de los movimientos de las galaxias que lo componen. La conclusión del estudio es que la velocidad de las galaxias era tan alta que, de ser estable el cúmulo, las galaxias tendrían la suficiente velocidad para escapar de la atracción gravitacional ejercida por las demás galaxias del grupo. Entonces, o el cúmulo era inestable o había mucha más masa de la que se le observaba. Fue entonces que surgió la idea de la materia faltante, que con el tiempo se tornó en la llamada materia oscura. Para ilustrar el argumento de Zwicky, definiremos qué es la velocidad de escape: es la velocidad que necesita un objeto para liberarse del campo gravitacional generado por otro dominante. En el caso de la Tierra, es la velocidad mínima necesaria para que un objeto, por ejemplo, una nave espacial, pueda escapar de la atracción gravitatoria de la Tierra, y tiene el valor de 40 284 km/h, unas treinta veces la velocidad del sonido. Cada planeta, cada estrella, cada galaxia y cada cúmulo de galaxias, tiene una velocidad de escape calculada con base en su masa y tamaño en cada caso.
Las observaciones continuaron. En los años 1970, Vera Rubin, Kent Ford y Norbert Thonnard, publicaron novedosas observaciones de las velocidades del gas en torno a varias galaxias, y el resultado fue que el hidrógeno gaseoso que gira en torno a cada una de estas galaxias, tiene velocidades suficientes para escapar, si el campo gravitacional se debe a las estrellas y gas visible. Desde entonces, esta observación se ha confirmado en muestras cada vez mayores de galaxias. La historia tampoco termina ahí. Se conoce la presencia de la materia oscura por una predicción de la TGR: la de las lentes gravitacionales. Las ecuaciones de Einstein de la TGR, establecen una relación entre una fuente material y el campo gravitacional que produce, que en turno se traduce en un doblez del espacio-tiempo. Así, la Luna viaja alrededor de la Tierra debido al doblez del espacio-tiempo consecuencia de la presencia de la Tierra, mientras que los planetas en el sistema solar tienen trayectorias debido al doblez del espacio-tiempo que produce la presencia del Sol, y así sucesivamente a escalas galácticas y mayores.
La luz sufre un efecto similar y su trayectoria también se ve afectada por las propiedades geométricas del espacio-tiempo. Esta predicción fue confirmada en 1919, a tres años de publicada la TGR, en una expedición coordinada por Sir Arthur Eddington durante un eclipse solar en Sudáfrica. La idea es muy sencilla: se eligió una estrella que estuviera detrás del Sol durante el eclipse, y de ser correcta la predicción, la luz de dicha estrella sería deflectada por la presencia del Sol y debía verse. Y así fue, un éxito más de la TGR.
Resulta que este efecto sirvió para explicar las imágenes que parecen resultar de efectos lenticulares en las imágenes del espacio profundo. Los cuásares son fuentes muy luminosas y lejanas, que emiten luz con tal potencia que se aprecian distintas imágenes alrededor de su posición con el mismo espectro de luz, como si fueran imágenes producidas por la presencia de lentes que distorsionan la trayectoria de la luz, de hecho, se llaman lentes gravitacionales. Pensando en sentido contrario a la explicación de la deflexión de la luz en el eclipse de 1919, en lugar de calcular la deflexión a partir de conocer la masa del Sol, se podría estimar la masa del Sol si se supiera cuánto se deflecta la luz. Y así surge una aplicación, por la posición de las imágenes secundarias del cuásar es posible usar el efecto de la deflexión de la luz para estimar cómo debe estar doblado el espacio-tiempo, y de ahí conocer la masa de la fuente que distorsiona el espacio-tiempo para que produzca esas lentes gravitacionales. Es así como la deflexión de la luz de cuásares, permite estimar la cantidad de materia que hay en algunas regiones del espacio entre los cuásares y el punto de observación en la Tierra. Estas observaciones también confirman que la cantidad de materia luminosa de cúmulos galácticos no es suficiente para deflectar la luz de los cuásares y explicar el tamaño y constitución de las lentes gravitacionales. Una vez más, resulta necesaria la materia oscura.
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La hipótesis
Si se supone que existe la materia oscura, responsable de la aceleración gravitatoria necesaria para explicar la estabilidad de los cúmulos de galaxias, del movimiento del gas alrededor de una gran cantidad de galaxias y de las lentes gravitacionales, entonces es importante determinar su naturaleza. Este es el problema de la materia oscura.
Propiedades que debe tener la materia oscura
Debe ser transparente, de lo contrario produciría sombras en los alrededores de las galaxias. Una de las primeras hipótesis fue que la materia oscura serían objetos poco visibles, como enanas café o incluso hoyos negros, objetos llamados MACHOS (acrónimo de Massive Compact Halo Objects); sin embargo, fue descartada por predecir una cantidad de sombras mayor a la observada. Las partículas de materia oscura han de ser eléctricamente neutras, de lo contrario interactuarían con la luz y la materia de una galaxia, lo que habría permitido descubrir su presencia, distribución y otros efectos visibles.
Candidatos con estas propiedades son los neutrinos. Son eléctricamente neutros, interactúan débilmente con el resto de las partículas y se han detectado experimentalmente. En 1956, fueron descubiertos por Clyde Cowan y Frederick Reines. Originalmente, se planteó que no debieran tener masa, pero en 1998, los experimentos Kamiokande concluyeron que sí podrían tener masa. En las reacciones nucleares del Sol se producen muchísimos, todo el tiempo pasan por aquí, y debido a su débil interacción con la materia ordinaria, incluidos los detectores de partículas, se detecta la presencia de solamente una ínfima fracción de ellos. Si las partículas de materia oscura constituyen un gas, cuyas partículas se atraen según la ley de gravitación universal, en caso de ser muy veloces, colapsan para formar estructuras grandes, mientras que de ser lentas, forman estructuras pequeñas. Para que las galaxias tengan el tamaño que las caracteriza en general, la materia oscura debe ser lenta, un gas de partículas lentas es frío. La materia oscura ha de ser fría.
Candidatos
Los neutrinos son buenos candidatos, pero no son lentos. Las velocidades a las que viajan son cercanas a la de la luz, y al colapsar gravitacionalmente formarían estructuras más grandes que las galaxias. Descartados los MACHOS y los neutrinos como la materia oscura, continúa la búsqueda del Vulcano de nuestro tiempo, del sospechoso que podría explicar las observaciones. A la fecha no se conocen partículas que cumplan con las propiedades que deben tener los posibles candidatos, es decir, ser masivos, eléctricamente neutros, transparentes y que constituyan un gas frío.
El conjunto de partículas cuya existencia se conoce está concentrado en el modelo estándar de partículas elementales, el modelo más avanzado de la Física subatómica. Las partículas son seis tipos de quarks, tres leptones, el electrón, el muón y la partícula tau, y un neutrino asociado a cada uno de ellos; las partículas que permiten las interacciones, el gluón, el fotón y los bosones Z y W. Finalmente, el bosón de Higgs cierra con broche dorado la colección de partículas cuya existencia ha sido confirmada en los aceleradores de partículas.
Con esta colección de partículas se puede explicar la existencia de protones y neutrones, con ello los átomos, de ahí las interacciones en química, en biología y en el resto de sus derivados. La materia oscura no puede ser ninguna de estas partículas, de lo contrario se habrían detectado directamente por sus propiedades bien conocidas. Por tanto, un sitio para buscar candidatos está en los modelos que generalizan el modelo estándar de partículas elementales. Uno muy popular es el modelo de supersimetría, que propone la existencia de un conjunto de partículas supersimétricas con diversas propiedades, algunas de las cuales cumplen con las propiedades para ser la materia oscura y, por su débil interacción con las partículas conocidas, se le conoce como partículas masivas débilmente interactuantes (WIMPS, Weakly Interacting Massive Particles). Otro tipo de extensiones al modelo estándar involucran la existencia de muchas dimensiones, como la teoría de cuerdas, y se construyen en un espacio de más de cuatro dimensiones. Estas teorías se reducen al modelo estándar y tienen un sector que plantea la existencia también de partículas exóticas que podría ser la materia oscura (ver Matos).
La materia oscura no es la única vía
Además de la búsqueda de candidatos a ser la materia oscura, se tiene la formulación del problema inverso del modelo, recuerden que el problema de la órbita de Mercurio no implicó la existencia de Vulcano, sino el impulso de una nueva teoría que logró explicar la observación y predecir efectos muy importantes. En lo referente a las observaciones que sugieren la existencia de materia oscura, la idea surgió a principios de 1980, cuando Mordehai Milgrom presentó la hipótesis de que las leyes de Newton, con todo y lo sólidas que son a escala humana y solar, no son adecuadas para describir los fenómenos de un sistema con la débil gravedad de las galaxias.
El fundamento es análogo al que justifica la construcción de la TGR, útil en escenarios en que el campo gravitacional es fuerte, las presiones y las velocidades de los gases enormes, es decir, en escenarios extremos cercanos al Big Bang, las estrellas de neutrones o los hoyos negros, condiciones totalmente opuestas a los escenarios con gravedad débil, presiones y velocidades del gas pequeñas, como ocurre en las galaxias y en los cúmulos de galaxias. Para escenarios en estas condiciones, Milgrom propuso que, si la Segunda Ley de Newton se modifica de manera correcta, sería posible explicar las observaciones del movimiento de gas en las galaxias, sin la necesidad de suponer la presencia de materia oscura. Esta idea, originada en el ámbito del estudio de la gravedad, en oposición a los WIMPS, cuyo origen se gesta dentro de los modelos de partículas elementales, ha dado origen a innumerables estudios, propiciando la formulación de teorías modificadas de la gravedad, cuyo propósito es perfeccionar las leyes de Newton en objetos de gravedad débil.
Viendo hacia el futuro
El problema de la materia oscura ha fomentado la revolución científica en Física con dos flancos: la generalización del modelo de partículas elementales y la formulación de teorías alternativas de la gravedad. Ambos enfoques se encuentran sometidas al contraste con las observaciones. En el primer caso hay experimentos como LUX, ZEPLIN and XENONnT, cuyo propósito es detectar WIMPS. Por otra parte, las teorías alternativas de gravedad se ponen a prueba con observaciones dentro del sistema solar, en experimentos sin gravedad y con la observación precisa del movimiento de las sondas espaciales. Fritz Zwicky propuso la hipótesis de la materia faltante en 1933, hace casi cien años, y el enigma sigue vigente.
Para notar la complejidad e importancia del problema, mencionemos algunos descubrimientos y explicaciones importantes que han ocurrido desde entonces en escalas de tiempo similares. La construcción del modelo estándar de partículas elementales fue desarrollado a inicios de 1970, y sus componentes fueron uno a uno siendo detectados en los experimentos de aceleradores de partículas, tarea que culminó al confirmar la existencia del bosón de Higgs en 2012, después de 40 años de búsqueda. Las ondas gravitacionales fueron predichas en la segunda década del siglo XX y detectadas directamente casi cien años después, en 2015. Los hoyos negros, otra gran predicción de la TGR, fueron observados directamente en 2019 con el arreglo del telescopios Event Horizon Telescope, a poco más de 100 años de que Karl Schwarzschild resolviera las ecuaciones de Einstein, sin saber que propiciaba una gran predicción.
Epílogo
En cosmología hay otro enigma, el de la energía oscura, que no debe confundirse con la materia oscura. Por ello, este relato continuará…
Para Saber Más:
Kuhn T.S. (2013). Estructura de las revoluciones científicas. Fondo de Cultura Económica. https://materiainvestigacion.files.wordpress.com/2016/05/kuhn1971.pdf
Gamow G. (2009). El nuevo breviario del Señor Tompkins. Fondo de Cultura Económica. https://www.perlego.com/book/1988738/el-nuevo-breviario-del-seor-tompkins-pdf
Rodríguez L.F. (2012). Un universo en expansión. Fondo de Cultura Económica. https://docplayer.es/17713937-Un-universo-en-expansion.html
Matos T. (2004). ¿De qué está hecho el universo?: materia oscura y energía oscura. Fondo de Cultura Económica.
Francisco S. Guzmán-Murillo. Profesor e Investigador del Instituto de Física y Matemáticas, Universidad Michoacán de San Nicolás de Hidalgo. Morelia, Michoacán.
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