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Se sabe desde hace tiempo que pasa algo raro con la masa en las galaxias. Ya el "peculiar" astrofísico Zwicky, en una fecha tan lejana como 1933, comprobó que la masa que derivaba de los movimientos de las galaxias del cúmulo de Coma era mucho mayor que la masa que obtenía sumando toda la luz que venía del cúmulo. Faltaba materia para generar los efectos gravitatorios que se observaban entre las galaxias. Si bien se equivocó en un factor ocho (en la actualidad se considera mayor la masa luminosa que la calculada por Zwicky), infirió correctamente que la mayor parte de la materia en los cúmulos de galaxias debía encontrarse en tal forma que no podía ser detectada: tendría que ser una especie de "materia oscura”.

[caption id="attachment_17314" align="aligncenter" width="803"]imagen 1: cúmulo de galaxias cl0024+17. el estudio de los cúmulos de galaxias es clave para entender si la materia oscura existe o no Imagen 1: cúmulo de galaxias cl0024+17. El estudio de los cúmulos de galaxias es clave para entender si la materia oscura existe o no[/caption]

Más pruebas de que quizá no estábamos viendo toda la materia fueron apareciendo en los años que siguieron al anucio de Zwicky.

Por ejemplo, la curva de rotación de una galaxia nos indica a qué velocidad giran las estrellas y el gas en función de la distancia que las separa del núcleo de la galaxia. Pues bien, se descubrió que dichas curvas no se comportaban como debían. La velocidad más allá de donde se dejaban de ver las estrellas debería disminuir con la distancia en lo que se conoce como una "caída kepleriana". Sin embargo, dicha velocidad se mantenía en contra de lo que era previsible, como si hubiera más materia que la generada por las estrellas, planetas, enanas marrones, gas interestelar y demás objetos formados por protones y neutrones (lo que se conoce como "materia bariónica”). Parecía que lo que teníamos era un inmenso halo oscuro en cuyo interior se encontraba embebida la porción visible de la galaxia, minúscula en comparación con el resto.

La cosa no paró ahí. También se comprobó que los pares de galaxias orbitaban como si cada una de las galaxias componentes pesara más de lo que realmente se veía. Y la puntilla definitiva la puso el efecto de las lentes gravitatorias. El camino de un fotón se ve alterado por la gravedad. Como se explica en la asignatura de Cosmología del Maestría Oficial en Astronomía y Astrofísica de la VIU, según la relatividad general, la masa altera la geometría haciendo que las trayectorias de los fotones no sean líneas rectas, como cabría esperar en un espacio-tiempo perfectamente plano (euclídeo que le dicen los cosmólogos). Dependiendo de la masa, esta trayectoria cambiará más o menos. Esto se puede observar claramente en las lentes gravitatorias: un cúmulo de galaxias, situado entre nosotros y una galaxia lejana, altera el camino de los rayos de luz de dicha galaxia, creando, en muchos casos, un arco luminoso que amplifica la luz que nos llega, como si fuese una lente óptica corriente y moliente. Pues bien, observando esas lentes y haciendo muchos cálculos, se llega a la conclusión de que los cúmulos que hacen variar el camino de la luz son mucho más masivos de lo que podemos inferir contando solo la materia que emite luz.

[caption id="attachment_17315" align="alignnone" width="803"]imagen 2: efecto de lente gravitatoria. el círculo que envuelve el objeto central no es más que la imagen de una o varias galaxias situadas detrás de este objeto. al pasar la luz de estas galaxias por la zona de influencia del objeto, esta se desvía por acción de la gravedad. el efecto es igual al de las lentes que todos utilizamos. Imagen 2: efecto de lente gravitatoria. El círculo que envuelve el objeto central no es más que la imagen de una o varias galaxias situadas detrás de este objeto. Al pasar la luz de estas galaxias por la zona de influencia del objeto, esta se desvía por acción de la gravedad. El efecto es igual al de las lentes que todos utilizamos.[/caption]

Entonces, llegados a este punto, nos surge una pregunta muy clara, ¿qué es exactamente esta "materia oscura"? La respuesta más honesta sería asumir que aún no lo sabemos. Se cree que podrían ser partículas "exóticas" no descubiertas todavía similares a los neutrinos (aunque no neutrinos propiamente dichos), las llamadas WIMPS (Weakly Interacting Massive Particles, Partículas Masivas Débilmente Interactuantes), partículas que sólo interaccionan con la materia a través de la gravedad y no emiten ningún tipo de radiación.

Sin embargo, hay investigadores a los que esta respuesta se les atraganta un poco. Y se les atraganta, porque existe otra opción a esta materia extraña: es posible que no entendamos del todo la gravedad y que, debido a eso, estemos infiriendo la presencia de materia oscura cuando lo necesario sería una corrección de las ecuaciones más básicas y mejor probadas de la Física. En el mundillo, estas hipótesis de "gravedad alterada" se conocen como MOND (Modified Newtonian Dynamics, Dinámica Newtoniana Modificada).

Por lo general y de manera muy resumida, lo que se suele hacer en estos modelos es suponer que la segunda ley de Newton, esa que dice que la fuerza es igual a la masa por la aceleración (F=ma), es válida sólo para aceleraciones suficientemente altas. Y aquí, por "suficientemente alta" se entiende una aceleración de unos 10-10 m/s2, una minucia, vamos. Esto ayudaría a explicar algunos de los efectos que actualmente se les atribuye a la materia oscura, como puede ser la rotación de las galaxias. Pero al contrario que la hipótesis de la materia oscura, los modelos MOND son modelos "ad hoc" y no lo explican todo: seguimos teniendo el problema de las lentes gravitatorias o la masa perdida de los cúmulos, por ejemplo.

Llegados a esta altura, el lector podría verse inclinado a pensar que, si bien no se sabe qué la compone, la existencia de una gran cantidad de materia oscura parece ser la única explicación posible a todos los fenómenos que observamos, mientras que las hipótesis MOND deberían ser descartadas por simple economía. Bueno, no vayamos tan rápido.

Muy recientemente ha aparecido un estudio que vuelve a colocar las hipótesis MOND en el terreno de juego y deja a la materia oscura en una posición ligeramente incómoda. Los investigadores Martín López Corredoira (del Instituto de Astrofísica de Canarias) y Pavel Kroupa (de la Universidad de Bonn) acaban de publicar en el Astrophysical Journal (una de las revistas más prestigiosas dentro del mundillo de la Astrofísica) un artículo muy interesante en el que encuentran una correlación estadística entre el tamaño del bulbo (la parte central brillante y de forma ovalada) de las galaxias espirales y el número de galaxias satélites del tipo "enanas de marea" (galaxias enanas restos de antiguas interacciones de la galaxia principal con otras galaxias).
De acuerdo con el modelo que suspone la existencia de materia oscura, la correlación que debería existir es entre el número de galaxias satélites enanas y la velocidad circular de la materia oscura del halo de la galaxia principal. En principio, el tamaño del bulbo debería importar poco, puesto que un bulbo más grande no implicaría una razón mayor entre la materia oscura y la luminosa de la propia galaxia. Así pues la materia oscura ni predice ni puede explicar la correlación encontrada. Tenemos, entonces, algo muy importante a la hora de validar una hipótesis científica: un resultado experimental que reproduce una predicción de un escenario con MOND y sin materia oscura. Los propios autores comentan, en la nota de prensa publicada por el IAC, que la probabilidad de que esta correlación sea puramente azarosa es de uno entre un millón (números muy llamativos que supongo habrán sido redondeados).

¿Dónde deja esto a la hipótesis de la materia oscura? ¿Tenemos que renegar de ella? Por supuesto que no. Los propios autores se curan en salud en el artículo recomendando que (y esto lo solemos hacer mucho los astrofísicos) se hagan más observaciones que confirmen esta tendencia en otros cúmulos más lejanos de lo que lo es el Grupo Local, de donde se han obtenido los datos. Además, hay que recordar que las hipótesis MOND tienen aún que dar cuenta de mucha casuística que se encuentra perfectamente explicada en el modelo de la materia oscura (mucho tienen que decir aquí las lentes gravitatorias).

Hasta ahora, la hipótesis que mejor explicaba este exceso de masa era la materia oscura. La gravedad modificada ha contraatacado, aunque el golpe no es decisivo, ni mucho menos. Como dice un colega de profesión, y sin embargo amigo, lo que tenemos es una "anomalía gravitatoria" que aún no puede ser explicada en su totalidad. Y me temo que tendremos que seguirla llamando así, "anomalía", al menos durante un tiempo.

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Bernabé Cedrés
Profesor colaborador en el Maestría Oficial en Astronomía y Astrofísica