De la materia perdida a los WIMPs

Por Lic. Mariano Ribas, Planetario de la Ciudad de Bs. As. Galileo Galilei 

En 1933, sin que lo hubiese imaginado, el gran astrofísico Fritz Zwicky (Foto. 1898- 1974), nacido en Bulgaria pero nacionalizado suizo, hizo uno de los descubrimientos más importantes (e inquietantes) de la historia de la ciencia. Mientras estudiaba el famoso Cúmulo de Coma (una metrópolis cósmica de más de 1000 galaxias, a 300 millones de años luz de la Vía Láctea), el excéntrico científico observó una aparente incompatibilidad física. Zwicky había estimado la masa total del cúmulo (teniendo en cuenta la cantidad de galaxias y su luminosidad), pero además, había medido la velocidad orbital de varias de sus galaxias. Y algunas se movían a alrededor de 1000 km/segundo. Ahí surgió el problema: a semejantes velocidades, esas galaxias deberían haber vencido el tirón gravitatorio del conjunto, escapándose del Cúmulo de Coma. Pero no, allí estaban, ligadas de algún modo a todas sus compañeras. Zwicky revisó sus observaciones y sus cálculos, y llegó a una inquietante conclusión: el Cúmulo de Coma debía ser mucho más masivo de lo que parecía. Sólo así, la gravedad total mantendría unido al cúmulo y sus galaxias súper veloces. Zwicky calculó que todo cerraba si lo que se veía (las galaxias) era apenas la décima parte de la masa total del cúmulo. O dicho de otro modo: el cúmulo parecía contener un 90% de “materia perdida” (según sus palabras). La materia oscura, tal como se la llamó más tarde, asomaba su pesada pero invisible cabeza.

Presencia masiva e invisible

Las pioneras observaciones de Zwicky fueron la punta de lanza de una abrumadora realidad cosmológica: con el correr de los años, y con la ayuda de instrumentos y mediciones cada vez más finas, los astrónomos se toparon, una y otra vez, con cúmulos galácticos que parecían contener cinco o diez veces más masa de la que daban cuenta sus componentes visibles. Materia oscura que, a modo de red de contención o argamasa gravitatoria, envolvía, unificaba y organizaba a esas grandes familias de galaxias.

A partir de los años ’70 y ’80, los astrónomos encontraron claros indicios de la presencia de materia oscura en las propias galaxias individuales: se observó que las estrellas ubicadas en sus zonas más externas giraban demasiado rápido en torno a sus núcleos galácticos.Tan rápido que, teniendo en cuenta la masa observable de la galaxia que las contenía, deberían haberse escapado de su tirón gravitatorio. Pero allí estaban, “sujetadas” por algo muy masivo e invisible. Evidencias de este tipo se han encontrado, por ejemplo, en la famosa galaxia de Andrómeda (M31),e incluso, en nuestra propia Vía Láctea, que parece estar envuelta por un colosal halo de materia oscura, unas 10 veces más masivo que su espiralada estructura visible (formada por cientos de miles de millones de estrellas y masas de gas y polvo).

Física de la extravagancia

Más allá de su ominosa presencia, la materia oscura es todo un desafío para la física de nuestros días: evidentemente, no es materia ordinaria. O dicho más físicamente: no es materia bariónica (hecha de bariones: protones y neutrones). Los bariones son partículas que interactúan y se “expresan” no sólo mediante la gravedad, sino también mediante las fuerzas nucleares fuerte y débil, y la fuerza electrostática. Son justamente esas interacciones las que permiten que la materia ordinaria emita o refleje luz; que la veamos. Pero también impiden, por ejemplo, que pasemos caminando alegremente a través de una pared (las partículas que forman nuestro cuerpo son electrostáticamente rechazadas por las que forman la pared).

Pero la materia oscura es otra cosa: no emite, ni refleja, ni absorbe luz. Es literal e inevitablemente invisible. Tampoco interactuaría electrostáticamente. Por eso, no podríamos “tocarla”, ni sentirla de ninguna manera. Podría atravesarnos –quizás, ahora mismo– sin que nos diéramos cuenta, y sin consecuencias para todas las entidades bariónicas, como los seres vivos, la Tierra o el Sol.

La materia oscura y la materia normal sólo tienen un “idioma” en común: la gravedad. Y justamente por eso es posible detectar los efectos gravitatorios de la materia oscura sobre las estructuras y los movimientos de las galaxias (y sus estrellas); incluso, sobre la misma luz: la materia oscura –gravedad mediante– “tuerce” el espacio, y en consecuencia, altera la trayectoria de la luz. Juega a las lentes gravitatorias. Y ese efecto es el que han estudiado y aprovechado los científicos que presentaron este gran mapa de materia oscura, el más importante, por escala y relevancia, realizado hasta la fecha.

WIMPs: ¿las partículas oscuras?

Desde hace décadas, los científicos están buscando alguna salida teórica que resuelva, en forma físicamente verosímil, la identidad de la materia oscura.Varias hipótesis fueron surgiendo, entre ellas, la que considera una variante bariónica de muy bajo perfil: los Objetos Masivos del Halo Galáctico, cuya sigla en inglés, por la que se los conoce generalmente, es MACHOs. Se trataría, obviamente, de objetos oscuros pero hechos de materia convencional: fundamentalmente, agujeros negros, enanas marrones (una suerte de “estrellas fallidas”) y hasta “planetas huérfanos”. Sin embargo, actualmente la mayoría de los astrónomos considera que los MACHOs no son, ni por asomo, la parte más gruesa de este masivo pero invisible misterio. La variante que hoy cuenta con la mayor adhesión de físicos y astrónomos, es la posible existencia de partículas específicas de materia oscura. Minúsculas entidades no bariónicas, más pequeñas que un átomo, llamadas Partículas Masivas de Interacción Débil, más conocidas por su sigla en inglés: WIMPs. Además de ser muy pequeñas y relativamente masivas, su identikit teórico incluye su capacidad de interactuar con la materia ordinaria mediante la gravedad. Y quizás, también mediante la fuerza nuclear débil (otra de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza, que opera en los núcleos atómicos). Si así fuera, los WIMPs podrían llegar a detectarse mediante experimentos específicos (incluyendo sensores subterráneos), capaces de ver eventuales “flashes” y partículas residuales, producidos por su interacción con la materia ordinaria.

Hoy, ochenta años después de las pioneras observaciones de FritzZwicky, la ciencia está un poco más cerca de revelar la identidad del lado oscuro de la materia; esa cosa poderosamente gravitante, omnipresente desde el amanecer de los tiempos, y que, como un arquitecto invisible, ha modelado y definido la macroestructura del Universo.

* Imágen: Cúmulo de Coma, una agrupación de alrededor de 1000 galaxias, situada a 300 millones de años luz de la Vía Láctea