EL MISTERIO DE LA MATERIA OSCURA
Dr. Mauro Napsuciale Mendívil
Director de Apoyo a la Investigación y al Posgrado
Universidad de Guanajuato
El término nos suena como algo de ciencia ficción, a personajes como Darth Vader de La Guerra de las Galaxias (Star Wars). Pero nada que ver, la materia oscura surgió como aparecen algunas cosas en la ciencia, como algo inesperado, algo que no se busca y simplemente de pronto está ahí. ¿Cómo empezó la historia? Comencemos por lo básico, lo que está bien establecido. En una de sus muchas contribuciones, Isaac Newton encontró que dos cuerpos, separados por una distancia r, sienten una fuerza atractiva proporcional al producto de sus masas (m1m2) e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa (r2). Sin embargo, para las masas de los objetos cotidianos (dos personas, por ejemplo, o una persona y un coche) esta fuerza es muy pequeña. No obstante, si uno de los objetos es muy grande (tiene una masa muy grande) entonces esta fuerza se vuelve importante. Sucede con nosotros y la tierra. La tierra no es plana como parece, es casi redonda, tiene una forma parecida una manzana, pero tan grande que nosotros, que estamos en su superficie, no alcanzamos a ver la curvatura; y su masa es tan grande que la fuerza gravitacional nos mantiene unidos a ella. Así que lo que vemos es que estamos en una superficie plana que nos jala siempre hacia abajo. Si brincamos, volvemos a caer a la superficie.
La fuerza gravitacional es importante también para el movimiento de los planetas, que debido a ella, giran en órbitas elípticas (algunas casi circulares como la tierra) alrededor del sol. Mientras más cerca está el planeta del sol, más grande es la fuerza gravitacional y más rápido gira. Mercurio, que es el más cercano, da una vuelta al sol en 88 días mientras que la tierra requiere 365 días y Neptuno casi 165 años. Los planetas internos, se mueven a mayores velocidades que los externos y las leyes de Newton predicen que la velocidad del planeta es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la distancia.
Nuestro sistema solar es parte de un sistema más grande, nuestra galaxia, la Vía Láctea, que contiene millones de estrellas (como el sol, más grandes o más pequeñas) cada uno de los cuales tiene atrapados cuerpos celestes (planetas, asteroides) y que a su vez giran alrededor del centro de la galaxia. Es posible observar el movimiento de estas estrellas porque, al igual que el sol, emiten radiación, cuyas propiedades conocemos bien de los fenómenos que hemos estudiado en la tierra. Observando el movimiento de las estrellas en una galaxia, es posible determinar con cierta precisión la velocidad a la que se mueven con respecto del centro de la galaxia. Por supuesto, las leyes de la física son universales y esperaríamos entonces que estas velocidades tuvieran el mismo comportamiento que predicen las leyes de Newton, que decaigan con la distancia como 1/r. Sorprendentemente, las primeras mediciones de estas velocidades de las estrellas en las galaxias, plasmadas en gráficas que se denominan “curvas de rotación de las galaxias”, efectuadas en 1933 por Fritz Zwicky, mostraban un comportamiento diferente, después de cierta distancia, la velocidad es muy similar sin importar que tan lejos estamos del centro.
Como siempre que encontramos algo inesperado, buscamos explicaciones extraordinarias, pero la única explicación razonable en aquel momento (y aún hoy día) era que había mucha más materia en las galaxias, dispersa en todo su espacio, que la que veíamos, esto es, que la que emite luz (las estrellas) y llega a nuestros detectores en la tierra. A esta hipotética materia adicional se le llamó por esta razón “materia oscura”.
Ha habido muchos amaneceres en este planeta desde entonces y casi noventa años después, hemos hecho muchos descubrimientos sobre las interacciones fundamentales: el electromagnetismo, que explica la estructura de toda la materia que existe en nuestro planeta y en el universo; las interacciones fuertes, que explican como los protones y los neutrones se mantienen unidos en los núcleos y a su vez están compuestos de otras partículas, los quarks, que viven confinados en su interior; las interacciones débiles, que describen decaimientos de unos quarks en otros, emitiendo electrones y neutrinos y nos permite entender cómo funciona el sol y en general las estrellas. A pesar de esto, la materia oscura sigue siendo un misterio.
Mas aún, un misterio firmemente establecido, hoy tenemos evidencia diversa, proveniente de mediciones de propiedades de distintos sistemas (lentes gravitatorias, radiación de fondo cósmico y un largo etcétera), de que la materia oscura constituye alrededor del veinticinco por ciento de lo que hay en el universo. Sabemos la abundancia de la materia oscura en la tierra y actualmente, existen varios experimentos con detectores subterráneos que intentan detectar señales de choques de materia oscura con núcleos atómicos con la intención de identificar su naturaleza, bajo la premisa de que es una partícula elemental. Otro tipo de experimentos colocan detectores en el espacio exterior con la intención de detectar los productos de la aniquilación de materia oscura en las regiones cercanas al centro de nuestra galaxia. Finalmente, hay una búsqueda intensiva de producción de materia oscura en el Large Hadron Collider que colisiona protones a gran energía. Aunque estos esfuerzos no han logrado aún la detección de materia oscura en procesos no relacionados con la interacción gravitacional, han permitido restringir los posibles valores de su masa y acoplamientos.
Curiosamente, la materia luminosa, esto es, de lo que está hecho todo lo que vemos en nuestro planeta, constituye solo un cinco por ciento del contenido del universo. El restante setenta por ciento corresponde a algo que denominamos “energía oscura”, cuya naturaleza tampoco tenemos clara. Eso si, no tiene nada que ver con estar “en el lado oscuro del universo”.
Cualquier comentario sobre este artículo, favor de dirigirlo a eugreka@ugto.mx. Para consulta de más artículos www.ugto.mx/eugreka
