El universo oscuro

Un halo producto del choque de dos galaxias es
una de las más fuertes evidencias en favor de la
existencia de la materia oscura.
(Foto D.P. de By NASA, ESA, M.J. Jee y H. Ford
vía Wikimedia Commons)

Todo lo que vemos a nuestro alrededor es apenas un atisbo del universo, la mayor parte del cual está aún por descubrir.

El universo, que se había considerado como una ordenada maquinaria de infinita precisión durante siglos, empezó a difuminarse con Einstein y, desde entonces, se ha ido complicando más allá de nuestra capacidad de imaginar, capacidad limitada por el entorno de escala media en el que hemos evolucionado, donde no entendemos el espacio curvo, los agujeros negros, un universo en expansión, un big bang, o el que la única constante del universo es la velocidad de la luz.

En 1933, un físico búlgaro-suizo de 35 años que trabajaba en los Estados Unidos, Fritz Zwicky, anunció que al universo que observamos le faltaba algo. O mucho: el 83% de la materia que debería contener.

Zwicky había hecho sus cálculos a partir de sus estudios del gran cúmulo de Coma, formado por más de 1.000 galaxias. La velocidad de las galaxias de un cúmulo depende de su masa total. Zwicky utilizó las velocidades de las galaxias para calcular la masa de las estrellas de Coma. Después, calculó la masa con otro sistema: la luz total de esas galaxias. Estos dos procedimientos debían dar resultados razonablemente similares… pero no lo hicieron.

La discrepancia era enorme. La masa calculada mediante la velocidad de las galaxias era diez veces mayor que la calculada a partir de la luz de las estrellas.

Zwicky se atrevió entonces a sugerir que tal vez el universo estaba formado principalmente por materia que no podemos ver. Una materia oscura que podíamos detectar por sus efectos gravitacionales y que, desde entonces, ha sido constatada por otros físicos y astrónomos.

El problema se vio complicado por la observación anunciada en 1998 de que nuestro universo no sólo está en expansión, como lo había descubierto Erwin Hubble en la década de 1930, sino que su ritmo de expansión se está aclerando. Esta observación la hizo, de modo muy adecuado, el telescopio Hubble. La gravedad del universo no estaba deteniendo la expansión, sino que “algo” lo estaba empujando para acelerar la expansión. Ese algo fue llamado por el cosmólogo Michael Turner “energía oscura”, en homenaje a Zwicky y desde entonces se han encontrado numerosas evidencias que la corroboran.

¿Cuánta energía oscura debe haber en el universo para explicar las observaciones que hemos hecho sobre la aceleración de la expansión del universo? Mucha. Es decir, que nos falta más universo del que creíamos. La materia que podemos percibir, la llamada “materia atómica”, es sólo el 4% del universo, la materia oscura de Zwicky sería el 23% del universo y el 73% adicional que tampoco podemos ver es la “energía oscura”.

Todo lo que podemos observar mediante el espectro electromagnético (desde las frecuencias extremadamente bajas hasta los rayos gamma, pasando por la sondas de radio, la radiación infrarroja, la luz visible, el ultravioleta y los rayos X), desde el terreno de lo minúsculo hasta las gigantescas nubes de gas donde nacen estrellas que nos ha mostrado el telescopio Hubble, gatos y flores, violines y supernovas, todo… es sólo el 4% de un universo que sigue desafiándonos con apasionantes misterios.

La búsqueda de lo invisible

Los astrofísicos están buscando intensamente la materia oscura y la energía oscura. O cualquier otra cosa no observada hasta hoy que ocupe el lugar de estos postulados pero que sirva para explicar lo que hemos visto del universo.

Entre los diversos observatorios (terrestres y orbitales) que participan en la búsqueda de la materia oscura, el más reciente es el espectrómetro magnético alfa (AMS-2), un detector de partículas con un coste de 2 mil millones de dólares que tiene las misiones de determinar cuánta antimateria hay en el espacio y qué es la materia oscura. Este aparato, pionero en su tipo, fue llevado a la Estación Espacial Internacional en el último viaje del transbordador Endeavour.

El AMS-2 tiene la misión de detectar partículas extrañas como los neutralinos, que se han propuesto hipotéticamente pero nunca se han hallado, y que podrían darnos algunas respuestas respecto de la materia oscura. Para ello, captura rayos cósmicos con potentes imanes para luego examinarlos con delicadísimos detectores de partículas, produciendo datos todo el día, todos los días, a un ritmo de aproximadamente un gigabyte por minuto. El aparato es resultado de un trabajo de 20 años en el que han participado 60 institutos científicos de 16 países, y cuenta entre sus investigadores principales a un español, el Dr. Manuel Aguilar Beníitez, del Centro de Investigaciones Energeticas Medioambientales y Tecnologicas (CIEMAT).

Para estudiar la materia oscura, por su parte, el año 2020, la NASA prepara uno de sus observatorios más ambiciosos, el llamado WFIRST (siglas en inglés de telescopio de exploración infrarroja de campo amplio), que tendrá por objeto responder a algunas preguntas esenciales sobre la naturaleza de la energía oscura. Para ello medirá cómo las galaxias curvan la luz que pasa cerca de ellas (el fenómeno de “lente gravitacional”), determinará las distancias a las que se encuentran diversas supernovas (estrellas que han estallado) y las oscilaciones acústicas de las partículas llamadas bariones (familia a la que pertenecen los neutrones y protones del núcleo de los átomos). Con ello determinará el efecto de la energía oscura en la evolución del universo.

Una misión similar podría lanzarse algunos años antes. Se trata de “Euclides”, una misión de alta precisión que tendrá una duración cinco años con detectores y un telescopio para, en palabras de sus creadores, “hacer el mapa del universo oscuro”, buscando al mismo tiempo datos sobre la materia oscura y la energía oscura, entre otras varias misiones.

Sin embargo, salvo algún descubrimiento inesperado y asombroso, y pese a todos los esfuerzos invertidos, la respuesta a las preguntas sobre el universo oscuro no parece cercana, y ello sin siquiera atrevernos a imaginar qué nuevas preguntas nos planteará el descubrimiento efectivo de esta materia y esta energía insospechadas durante la mayor parte de la historia humana. Se confirma así una vez más lo que dijo el astrónomo inglés Sir Arthur Eddington, que realizó las primeras observaciones que confirmaron la teoría de la relatividad de Einstein: “El universo no sólo es más extraño de lo que imaginamos, es más extraño de lo que podemos imaginar”.

Mientras tanto, bajo tierra La búsqueda de los componentes oscuros del universo no se hace sólo a nivel cósmico. El gigantesco colisionador de partículas europeo, el LHC también intentará sus enormes niveles de energía para crear materia oscura en la forma de partículas llamadas WIMPS, así como poner a prueba algunas hipótesis sobre la materia y la energía oscura sin tener que ir al espacio.