¿Cómo se sabe que existe la materia oscura?

¿Cómo se sabe que existe la materia oscura?

A2A*. Gracias por el interés, D. Pablo.

Pues verá, tenemos indicios fuertes y evidencias indirectas de su existencia. Para muchos astrofísicos, (diría que para la mayoría), este conjunto de indicios y evidencias es bastante para considerar la hipótesis de la materia oscura lo suficientemente seria como para empeñar sus carreras y proyectos en encontrarla y caracterizarla. Pero debe Ud. saber que hay otros científicos a los que las evidencias citadas no les convencen lo suficiente y por eso exploran otras alternativas. Esto esta muy bien porque pone de manifiesto que no hay dogmas ni "democracia" en ciencia, y que al final perdurará y se fortalecerá la hipótesis que se vea favorecida por la evidencia científica disponible, independientemente de que fuera una posición mayoritaria o minoritaria cuando se inició la búsqueda de las respuestas.

Ud. probablemente no es astrofísico, (porque en caso de serlo podría responderse a sí mismo esta cuestión, independientemente de cuál fuera su posición al respecto). Así que permítame presentarle algunos de esos indicios y evidencias para ver si a Ud, le convencen.

Soy de la opinión de que cualquier persona con interés puede alcanzar a comprender lo básico de una cuestión si se le explica de la forma adecuada y esa persona se esfuerza por conquistar esos nuevos conocimientos. Así que espero acertar con la forma de explicar esto, de forma que tras la lectura Ud pueda entender, y compartir con otros, por qué esa mayoría de astrofísicos piensa que la materia oscura existe. Y, por qué no, formarse un juicio propio al respecto que vaya más allá de una mera "elección de bando".

Así que vamos a ello:

Antes de nada, una breve introducción para que todos sepamos de qué estamos hablando. ¿Qué es la materia oscura?

La materia oscura es un tipo de materia no ordinaria (siendo la ordinaria aquella que nos es familiar, y que compone estrellas, planetas, a Ud. y a un servidor). Su principal cualidad y de la que le viene el apelativo, es que no presenta respuesta (hasta donde sabemos) a la interacción electromagnética. Esto es, los fotones no interactúan con la materia oscura: la materia oscura no produce, refleja ni absorbe ningún tipo de luz, así que es invisible a nuestros detectores que usan luz, y la luz a su vez es invisible para ella. Sin embargo, el Modelo Estándar de la Cosmología, afirma que del total masa-energía de nuestro universo (observable), la materia oscura aporta un 26,8% del total. En otras palabras, si consideramos sólo la materia, cerca del 82% de toda la materia del Universo es materia oscura.

Imagen 1. Composición en porcentaje del universo observable. Fuente: NASA's Goddard Space Flight Center, ( Content of the Universe Pie Chart ).

Pero la materia oscura sí interactúa con la gravedad, y es así principalmente como hemos empezado a sospechar de su existencia. Dicho esto, vamos con las evidencias e indicios prometidos.

Algunas evidencias en favor de la existencia de la materia oscura:

1.-Las famosas curvas de velocidad de rotación de las estrellas en las galaxias espirales. Imagine que Ud. hace girar una piedra atada a una cuerda a modo de "honda" (como la del mito de David y Goliat). Si Ud hace girar la piedra muy rápidamente, la cuerda terminará rompiéndose y la piedra saldrá disparada. Es decir, el sistema formado por usted y la piedra, que estaba ligado mediante la cuerda, dejará de existir como tal.

Pues bien, ese es el concepto. Las estrellas están ligadas mediante la gravedad (que aquí hace de cuerda conceptual) al centro de masas de la galaxia en la que se encuentran. Existe entonces un límite a la velocidad a la que la estrella puede orbitar la galaxia sin salir despedida de la misma, y esa velocidad máxima depende de la masa de la galaxia encerrada en la esfera definida por el radio igual a la distancia entre la estrella y el centro de masas. Para entendernos: la distancia entre la estrella y el punto que esta orbita, es el radio de la esfera que le digo. Y toda la materia que encierra esa esfera, tira de la estrella "hacia dentro" del la galaxia. Cuanto más fuerte sea el tirón, más rápido puede ir la estrella sin romper la cuerda, ¿ok? Pues bien, como las galaxias espirales tienen forma de disco, lo esperable sería que la curva de velocidad tuviera forma de ola (crece hasta un pico y luego decrece con la distancia al centro. Pero lo que medimos en las observaciones de las galaxias cercanas es esto:

Imagen 2. Curva de rotación de las estrellas en la galaxia M33. Fuente: elaboración de Mario de Leo. Imagen recuperada de ( File:Rotation curve of spiral galaxy Messier 33 (Triangulum).png ).

Como ve, lo que se espera si contamos solo con la materia ordinaria (estrellas, planetas, gas, etc) es la línea discontinua gris (la ola). Pero lo que observamos es que las estrellas giran mucho más rápido de lo que deberían (la curva continua de arriba). Pero no escapan de la galaxia, por tanto solo tenemos dos opciones:

a) o bien la gravedad a grandes distancias funciona de manera diferente a lo que pensamos, o

b) hay mucha más masa de la que vemos, y que permite que las estrellas se muevan a esas velocidades sin perder su ligadura gravitacional con la galaxia.

Sepa Ud. que este efecto se observa en todas las galaxias que hemos podido estudiar con suficiente detalle, y que una cosa similar ocurre en las estructuras superiores a las galaxias. Así que, sea lo que sea, no es un caso aislado, ni limitado a la escala galáctica.

Sigamos.

2.-Lentes gravitacionales.

La mejor descripción de la gravedad que tenemos es la Teoría de la Relatividad General. En esta descripción, la gravedad no es una mera interacción, sino que está íntimamente ligada a la estructura del espaciotiempo. Concretamente, se vincula la gravedad con la deformación (la curvatura) del espaciotiempo. El caso es que uno de los efectos que predice la teoría es que cuando la luz atraviesa una región del espaciotiempo que está densamente poblada de materia, la curvatura que produce la masa en el espaciotiempo hace que la luz se comporte de forma análoga a lo que vemos que ocurre cuando atraviesa una lente. En particular, si entre nosotros y un objeto lejano hay una gran acumulación de masa, la imagen del objeto lejano aparecerá deformada de una interesante variedad de formas: desde estirarse en forma de anillo, hasta aparecer repetida en varias posiciones con cierta simetría. Las imágenes 3 y 4 son sendos ejemplos de estos fenómenos, (es decir, que la predicción de la teoría también era acertada en esto):

Imagen 3. Ejemplo de lente gravitacional que resulta en un patrón de anillo. Fuente: ESA/Hubble y NASA. Imagen extractada de la imagen original en la siguiente dirección de la NASA.

Hay anillos completos, incompletos, con forma casi de herradura, separados en distintos segmentos… Luego tenemos otros tipos de efecto:

Imagen 4. Imagen distorsionada y repetida (x4, señalada con flechas) de una supernova en una galaxia lejana que queda "detrás" (en nuestra perspectiva) de un cumulo masivo de galaxias denominado MACS J1149.6+2223. Fuente: página web del Hubble.

Y bien, ¿qué interés tienen estos fenómenos para nuestra búsqueda de materia oscura? Pues como seguramente ya ha podido advertir, podemos utilizar la manera en que los diferentes tipos de lente gravitacional retuercen la luz para mapear la masa dispuesta en las regiones que atraviesa dicha luz. Y a partir de ahí obtenemos modelos como este:

Imagen 5. Modelo creado a partir de las observaciones del satélite Hubble de lentes gravitacionales y calibrado mediante el desplazamiento al rojo de la luz de los objetos situados a diferentes distancias. Fuente: página web de la ESA ( 3D map of dark matter as seen by Hubble ).

Y lo más relevante es que cuando miramos a esas regiones, la cantidad de materia "normal" que podemos contabilizar es muy inferior a la necesaria para lograr estos efectos. Pero peor aún, hay casos en los que directamente no hay rastro de materia "ordinaria" y aun así se observa el efecto. Por ello, parece que la única opción que sigue fuerte en este escenario es la hipótesis de la materia oscura.

Nota: estos efectos entran en conflicto con las predicciones de la mayoría de las hipótesis tipo MoND (Modified Newtonian Dynamics), que son las que intentaban explicar los efectos en la curva de velocidad de rotación de las estrellas, postulando que la gravedad se comporta diferente a distintas distancias. Es decir, esta evidencia pone en serios aprietos a la familia de hipótesis MoND (la opción "a" del punto anterior).

3.-Acumulaciones de gas caliente.

En general, en el universo suele darse una pugna entre el calor de la materia que tiende a expandirla ocupando un volumen mayor, y la gravedad que trata de comprimirla todo cuanto pueda. Este equilibrio es el principal factor que determina la formación, evolución y final de las estrellas. Pues bien, lo mismo ocurre con cualquier pedazo de materia, y las nubes de gas no son una excepción.

En la imagen 6 se muestra el gas del cúmulo de Coma (Abell 1656). La imagen está centrada en la galaxia NGC4889. A la izquierda se aprecia la imagen en el rango visible para nosotros, y a la derecha se ve la imagen en rayos X tomada por el satélite ROSAT. Con las lecturas de ROSAT podemos estimar la temperatura del gas del cúmulo.

Imagen 6. Imagen en espectro visible (izquierda) y de Rayos X (derecha) del cúmulo de Coma (Abel 1656). Fuente: 'Clusters of galaxies: setting the stage'; A. Diaferio, S. Schindler, K. Dolag. Paper recuperado de Arvix: Clusters of galaxies: setting the stage

A estas alturas seguro que ya habrá aventurado Ud. que la masa de la materia ordinaria que vemos no es ni de lejos suficiente para mantener el gas donde está y a esa temperatura. Si sólo contamos con la gravedad que aporta la materia "visible", el gas se dispersaría y enfriaría. Para explicar lo que vemos necesitamos entre 5 y 7 veces más masa que la que "vemos" en el óptico. Y claro, por más que queramos pensar en materia normal 'ocultada' por nubes de polvo, las cuentas no salen ni de lejos. De nuevo, casos como este favorecen y fortalecen la hipótesis de la existencia de la materia oscura.

4.-Dinámica galáctica.

Sigamos caracterizando la materia oscura. Una de las consecuencias de que no le afecte la interacción electromagnética es que cuando dos grandes estructuras de materia ordinaria (que habitualmente se encuentra "anidada" en una estructura mucho mayor de materia oscura) confluyen o chocan, la materia ordinaria o normal, se frena por la interacción, mientras que la materia oscura sigue su camino como si nada. Tenemos un muy buen ejemplo de esto en el caso del Cúmulo Bala (1E 0657-56).

En este cúmulo, dos grandes estructuras están colisionando de frente, y las observaciones combinadas de los satélites Hubble y Chandra, junto con otros observatorios en tierra, dan lugar a lo que se muestra en la imagen 7.

Imagen 7. La colisión del cúmulo bala muestra como se han 'desacoplado' la materia bariónica (la 'normal', coloreada artificialmente en tono rosado en la imagen) de la materia oscura que ha seguido su trayectoria sin alterarla (mostrada en color artificial con tonos violetas y azules). Fuente: web del observatorio espacial Chandra, ( Photo Album :: 1E 0657-56 :: 21 Aug 06 ).

Desde luego, resulta interesante que en un evento de colisión como este, la materia oscura se venga a comportar de una forma coherente con las cualidades que le atribuíamos desde el principio. De no haber sido así, hubiera supuesto un durísimo golpe a las opciones de ser una respuesta válida que acumula esta hipótesis. Muchas cosas podrían haber sido diferentes, pero en este y otros casos de colisiones, se observa exactamente el mismo comportamiento. (Photo Album :: MACS J0025.4-1222 :: August 27, 2008). Para ser honestos, debo decir que hay modelos de MoND que afirman que pueden explicar este efecto, pero hasta donde sé resultan tremendamente enrevesados y, lo mas importante: cuando los sacas de este fenómeno e intentas aplicarlos a otro de los mencionados en puntos anteriores, no funcionan. Es decir, adolecen de coherencia, mientras que el modelo de materia oscura es el mismo y funciona razonablemente bien en todos los escenarios. ¿Será por eso que muchos científicos apuestan su trabajo y prestigio a seguir indagando en el campo de la materia oscura? O sea, que no es que sigan "una moda" ¿verdad?

5.-Fondo Cósmico de Microondas: el espectro de potencias y las Oscilacions Acústicas de Bariones.

Cambiamos completamente de escenario y nos vamos a fijar en algo totalmente diferente: el Fondo Cósmico de Radiación (actualmente de Microondas) o FCM que es literalmente la luz que se liberó cuando nuestro universo tenía en torno a 370.000 años, y su temperatura bajó por debajo de los 3000 grados Kelvin, lo que permitió a los protones capturar los electrones que pululaban por el plasma imperante y, con ello, se formaron los primeros átomos. Esos átomos, al ser neutros, permitieron que los fotones de luz, que estaban constantemente chocando con las partículas cargadas (principalmente protones y electrones libres), absorbiéndose y reemitiéndose, quedaran libres para viajar sin perturbación hasta nuestros días. En esa época, el universo devino transparente para la luz, y dicha luz nos llega hoy trayendo una colosal cantidad de información que ha permanecido esencialmente inalterada desde que fue emitida en lo que se conoce como la "superficie de última dispersión". Y la imagen que nos da, es esta:

Imagen 8. Las "anisotropías" del fondo Cósmico de Microondas, registradas por el satélite Planck (una vez limpias de "ruido" y tratados los datos). Los diferentes colores corresponden a pequeñísimas variaciones de temperatura de punto a punto del orden de la millonésima del Kelvin. Es decir, en aquella época todo el universo estaba casi exactamente a la misma temperatura. Fuente: web de ESA/Planck, ( Planck reveals an almost perfect Universe ).

Si quiere profundizar algo más en el FCM le dejo un par de respuestas de un servidor y .

El caso es que una de las fuentes más impresionantes de información que obtenemos del FCM es el espectro de potencia:

Imagen 9. Figura 1 que muestra el espectro de potencia del FCM en el informe de resultados de la misión Planck de 2018. Fuente: paper "Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters", página 7, obtenido de la página web de la ESA: (https://www.cosmos.esa.int/documents/387566/387653/Planck_2018_results_L06.pdf/38659860-210c-ffac-3921-e5eac3ae4101 ).

Lo que muestra la imagen 9 daría para varios artículos y ya me he extendido mucho, pero no me puedo resistir a contarle un poco qué es lo que nos dice esa gráfica sobre el universo temprano.

Básicamente, la idea es que el contenido del universo, que en aquella época era una suerte de océano de plasma, sufría oscilaciones de densidad a nivel local. Como estaba muy caliente, esas regiones tendían a expandirse y eso las enfriaba ligeramente respecto a su entorno con lo que volvían a comprimirse lo que las calentaba de nuevo. Estas oscilaciones o "latidos" de estas regiones (que podemos imaginar como esferas o burbujas) producían una especie de ondas sonoras en el medio que las circundaba. El tamaño típico de las ondas, su longitud de onda etc, es función de la función de densidad del medio, y la densidad esta a su vez vinculada con la naturaleza del contenido. Por simplificarlo muchísimo, esas ondas sonoras (las Oscilaciones Acústicas de Bariones), nos permiten medir la distribución del contenido y la estructura del universo. Y aquí llegamos a lo interesante.

Seguro que a poco que haya leído sobre materia oscura, se habrá encontrado con la duda (planteada por Ud o por otras personas) de ¿por qué la materia oscura no puede ser materia normal pero que simplemente resulta muy difícil de detectar para nuestra actual tecnología (por estar oculta, o muy lejos, etc)? Pues acaba de ver la respuesta en la imagen 9.

La altura, forma, y secuencia de los picos del espectro de potencia del FCM está relacionado con la estructura y contenido del universo: el primer pico nos da información muy precisa de la curvatura global de nuestro universo (ya le adelanto que el resultado es compatible con una curvatura nula, o lo que es lo mismo, que nuestro universo presenta las características de la geometría plana o euclídea, la que aprendemos en el cole); el segundo pico habla de la densidad de materia bariónica, y el tercero nos habla de otra cosa distinta a la anterior (si fuera lo mismo "estarían juntas en el mismo pico"), también con propiedades de materia, pero cuyas características son críticamente distintas de la anterior: esa es la materia oscura.

Es otra fuerte evidencia consistente con la existencia de materia oscura, pero que viene de un ámbito sorprendentemente diferente de los mencionados anteriormente.

¡Ah!, y un 'bonus track' a cuenta de esto. ¿Recuerda los porcentajes de la composición del universo que mostraba la imagen 1? Pues bien, eso daría para otra respuesta, pero permítame decirle que, fundamentalmente, se obtienen a partir de la gráfica de la imagen 9.

6.-Modelos de formación galáctica y de la estructura a gran escala del universo observable.

Ya me extendí demasiado. Así que termino mencionando otro más de los indicios que la comunidad contempla para decantarse masivamente por la hipótesis de materia oscura, aunque he de señalar que la cosa no acabaría con este sexto punto. Podríamos ampliarlo bastante más aún.

La cuestión aquí es que los modelos que construimos para testar nuestras hipótesis no solo deben permitirnos elaborar predicciones falsables, sino que deben ser consistentes con las observaciones de que disponemos. Esto significa que si ponemos un "universo de juguete" a funcionar en una simulación por ordenador, le damos unas condiciones de inicio, y le alimentamos con las leyes que conocemos, y con las hipótesis que pensamos rigen el comportamiento de nuestro universo, deberíamos ver que se forman las grandes estructuras (supercúmulos, la red de filamentos, etc.) que observamos en el universo real, en el mismo orden y con la misma secuencia. Cuanto más compatible resulten esos modelos con nuestras observaciones, mas probable es que estemos yendo por el buen camino.

Pues bien, los modelos que incorporan la materia oscura, se ven ampliamente favorecidos por los resultados. La formación de estructuras que observamos en nuestro universo, tiene lugar también en las simulaciones sin necesidad de grandes ajustes (se forman de manera más "natural"), y resultan en disposiciones y secuencias que reflejan muy bien lo que observamos. Por el contrario aquellos que no usan materia oscura requieren ajustes mucho más estrictos, (mayor intervención en la configuración), presentan habitualmente discrepancias y problemas cuando se trata de aplicarlos en un amplio rango de escalas, y más si son diferentes de aquellas para las que fueron concebidos.

Un par de ejemplos de simulaciones que muestran la formación de la red cósmica (fáciles de encontrar en youtube) son los siguientes:

A) Cosmological simulation of universe evolution (Volker Springel) en el canal del Profesor Francis R. Villatoro.

B) Dark Matter en el canal del SLAC.

C) Dark matter vs gas temperature - Illustris universe simulation, (Mark Vogelsberger ) también en el canal del Profesor Francis R. Villatoro.

Y hasta aquí este "pequeño" paseo por algunas de las evidencias e indicios que nos hacen pensar que la materia oscura existe. Espero que ahora pueda tener una visión algo más completa de por qué tantos científicos apuestan sus carreras a la posibilidad de avanzar en esta cuestión, mediante la hipótesis de la materia oscura. Obviamente son gente muy inteligente y bien formada que no toma decisiones a la ligera, movidos por meras creencias o sesgos personales, ni por "modas".

Habitualmente, la gente que cierra un debate denostando el trabajo de los científicos (en esta y otras tantas cuestiones) con "son sólo teorías" o "son cosas de científicos", no tiene ni idea de como funciona la ciencia, ni se han molestado en buscar nada de lo que apenas hemos esbozado en esta respuesta. Como se suele decir, la ignorancia es atrevida.

Muchas gracias por acompañarme hasta aquí. Si al menos he conseguido transmitirle un poco por qué la mayoría de científicos considera prometedora la hipótesis de la materia oscura, y he reforzado la idea de que los científicos en general son gente cabal, (que cuando apuestan su carrera a un proyecto es porque realmente el conocimiento de que disponemos les mueve a ello), entonces, el tiempo dedicado a elaborar esta respuesta habrá estado bien empleado.

Un saludo.