Materia oscura: parece que se va aclarando...

Lo escribí en mayo de 2013, después de asistir a una interesante charla del Premio Nobel de Física 2011 Brian Schmidt en la Fundación Areces (puedes volver a leer el artículo completo aquí: "La oscura realidad"): "¿No pasará esto en el futuro con el mundo de las partículas y de las energías oscuras?" Me refería a que quizá pronto se descubriría una explicación "razonable" y entendible por el común de los mortales para el origen y composición de lo que se conoce como materia y energía oscura, que representan, poca broma con esto, hasta el 95% del Universo (26,8% y 68,3% respectivamente, para ser exacto).

Pues bien, 7 años después, y gracias a otra charla en la Fundación Areces (esta vez en remoto, dadas las circunstancias sanitarias) a cargo del Profesor Juan García-Bellido, del Instituto de Física Teórica de la Universidad Autónoma de Madrid, me entero de que es muy posible que se haya llegado a esa explicación razonable y entendible (ejem, según y cómo), al menos en lo que se refiere a la materia oscura. De la energía oscura todavía queda mucho por saber.

El caso es que me he animado a leer un poco más sobre el tema, entenderlo mejor, y tratar de escribirlo aquí, en "román paladino". Pido disculpas de antemano a los expertos en este campo por si incurro en alguna incorrección, por no hablar de errores de bulto, que también pueden aparecer. Pero la intención es buena, y es lo que cuenta.

M100 - Ejemplo de galaxia espiral

El que había "materia oscura" y en cantidades considerables era algo que se sabía desde hacía tiempo (Fritz Zwicky, físico suizo de origen búlgaro, fue el primero en proponerlo, desde un planteamiento teórico, en 1933, aunque pasaron casi cuarenta años hasta tener alguna evidencia práctica). La observación comentada por el profesor García-Bellido que implica la existencia de esa materia, y que a mí me ha resultado más esclarecedora tiene que ver con la rotación de las galaxias. Si imaginamos una galaxia espiral (el tipo más frecuente) que gire en un plano perpendicular al observador terrestre, se puede simular (fácil no es) el comportamiento de los brazos de la galaxia. Si la masa de la galaxia se correspondiera únicamente con la masa observable (la que emite luz propia -en sus diversas longitudes de onda- o la refleja) la velocidad de rotación de esos brazos sería una determinada. Lo que se observa en la realidad (ya digo que no debe de ser fácil) es que los brazos de esa galaxia espiral giran a más velocidad de la que "deberían" hacerlo de acuerdo con el modelo. Velocidad que sí sería la "correcta" si la masa total de la galaxia fuera considerablemente mayor. Luego... haber masa oculta, hayla.

Una segunda consideración es que esa materia oscura no sería de reciente creación, sino que, para justificar su enorme dimensión y su ubicuidad, debería haberse formado en las etapas iniciales del Universo (menos de un segundo después del "Big Bang").

Durante mucho tiempo se exploró lo que podemos llamar la "hipótesis partícula": la materia oscura se debería a una partícula subatómica desconocida, que tendría que ser "neutra", dado que no interactúa con la luz, y que habría que descubrir. Pero tras muchos intentos, esfuerzos y dineros, así como se han descubierto desde mediados del siglo XX partículas con nombres curiosos: muones, hadrones, bosones,...  ninguna de ellas cumple los requisitos para ser el componente que justifique la materia oscura.

Por lo que aparece en escena una nueva hipótesis, en la que los protagonistas son los "agujeros negros primordiales" (Primordial Black Holes - PBH en inglés). Se trataría de cuerpos formados en las etapas iniciales del Universo y que estarían presentes de forma masiva en todos los halos de las galaxias. El nombre de "primordiales" se usa para distinguirlos de los agujeros negros que hasta ahora se conocían, los que se forman como resultado de la implosión final resultante de la explosión de una supernova de suficiente masa (superior a 8-9 veces la del sol). En el caso de los "primordiales" este colapso gravitatorio se habría producido por fluctuaciones en la densidad del Universo. 

Esta diferencia en cuanto a su origen produce dos características diferenciales que son muy interesantes a la hora de su detección y catalogación: su tamaño y su velocidad de rotación (espín). Los agujeros negros "estelares", los que proceden de estrellas, no pueden tener una masa inferior a 1,4 masas solares (el llamado límite de Chandrasekhar, que tiene su explicación, pero que nos puede distraer en este momento) ni superior a 65 masas solares (por otra serie de cálculos). En cambio, los "primordiales" pueden tener, en principio, cualquier tamaño.

Por otro lado, los agujeros negros "estelares", como consecuencia de que el colapso gravitatorio sucede después de una enorme explosión, giran a una tremenda velocidad (por ejemplo, se ha calculado que el agujero negro GRS 1915+105 gira sobre su eje 1.150 veces/segundo). En cambio, los modelos matemáticos desarrollados para explicar las características de los "primordiales" determinan que tienen que tener espín "0" pelotero o cercano a "0". Son estáticos. 

Pero lo que ambos, "estelares" y "primordiales", tienen en común es que son muy puñeteros de detectar. Por definición no son observables en sí mismos, sino solo a través del efecto que causan en otros objetos próximos o en radiaciones que pasan cerca de ellos. La primera técnica de detección se centró en buscar estrellas que se comportaban como si formaran parte de sistemas "binarios" pero donde no era visible ese segundo componente. Quizá sí que se podían ver "chorros" de materia precipitándose, debido a la fuerte atracción gravitatoria, desde la estrella hacia esa zona del espacio de donde nada puede salir, ni siquiera la luz. 

Efecto del paso de la luz de la estrella
cerca de un agujero negro

Otra forma de detección se conoce con el nombre de "microlente": consiste en observar estrellas muy lejanas que, en algún momento presentan una distorsión en cuanto a su posición teórica, tamaño o luminosidad, solamente explicable por el hecho de que su luz pasa cerca de una "anomalía" gravitatoria que la curva; ahí, en algún punto entre la estrella y el observador, hay un buen candidato a agujero negro.

Pero el avance que ha supuesto un salto tremendo en la posibilidad de localizar agujeros negros tiene que ver con la detección de las famosas ondas gravitatorias (o gravitacionales, que de las dos formas se puede decir). Precisamente porque las primeras que se han detectado tienen su origen en la fusión de dos agujeros negros.

En concreto, la onda GW150914 (las ondas gravitatorias se identifican por la fecha de detección: AAMMDD, en este caso 14 de septiembre de 2015, y GW= Gravitational Wave), detectada por dos observatorios de la red LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) en EE.UU., fue el resultado de la fusión de un agujero negro de unas 30 masas solares con otro de unas 35. El resultado fue otro agujero negro de unas 62 masas solares, y las aproximadamente 3 restantes es lo que fue emitido al espacio en forma de ondas gravitatorias. Curiosamente, con solo dos observatorios involucrados, no es posible "triangular" la posición del origen de la onda en el espacio, por lo que sólo se conoce ésta de un modo poco preciso. 

Desde 2015 el número de ondas gravitatorias detectadas ha ido en aumento. De las 15 "confirmadas" (hay otras en estudio), 13 se deben a fusiones de dos agujeros negros y 2 a fusiones de dos estrellas de neutrones. La onda GW190521 es la que corresponde a los agujeros negros más masivos hasta ahora: 85 y 66 masas solares, aproximadamente. Masas que, por lo que hemos explicado hace unos párrafos, implicarían la primera observación de 2 agujeros negros de origen no estelar, o sea que deberían ser "primordiales".

Fases en la fusión de dos agujeros negros: 1- Evolución suave 2- Fusión 3- Estabilización

Pero los observatorios LIGO y VIRGO (similares, pero en Europa) tienen una limitación, y es que, debido a la extensión de sus brazos (unos 4 kilómetros) y la distancia que los separa (3.000 km en el caso de los dos americanos) sólo pueden detectar ondas gravitatorias dentro de un rango de frecuencias. Y eso corresponde, por  lo tanto, a un rango de sucesos cosmológicos. Para ampliar este rango es para lo que están en proyecto unos ambiciosos planes, como por ejemplo el LISA (Laser Interferometer Space Antenna), que consiste en tres satélites orbitando en el espacio y formando un triángulo con unos brazos de... 2,5 millones de km. La última previsión es que estará en órbita en 2034... o sea que todavía nos faltan unos años para ver los resultados.

A modo de resumen para que te quedes con lo esencial: mediante la reciente detección de ondas gravitatorias se ha confirmado la existencia de agujeros negros con unas masas y espín tales que no pueden ser de origen estelar (colapso de estrellas) sino primordiales (creados en los momentos iniciales del Universo). Si estos objetos no son casos aislados, sino que se van descubriendo más y más, en un rango amplio de tamaños, podrían llegar a justificar una parte importante de, o tal vez toda, la materia oscura del Universo. De la energía oscura, ya si eso... 

Esquema de la futura misión LISA (est. 2034)