¿Existe realmente la materia oscura?

Jim Stratigos (Transcripción y traducción de un PODCAST en 365 Days of Astronomy)

Cuando miramos el cielo nocturno y vemos cómo la formación de estrellas y las interacciones entre galaxias siguen dando forma al universo, no podemos sino maravillarnos. Mi deseo por aprender más sobre el funcionamiento interno de las cosas me llevó a seguir programas de estudios de la Universidad de Swinburne y a devorar con avidez cada libro sobre cosmología y gravedad.  Aunque sólo soy un ingeniero y no un astrofísico, considero plausibles los conceptos de big bang, nucleosíntesis, supernova, evolución estelar y fondo cósmico de microondas.  Pero hay un concepto al que no consigo hacer frente, que es la existencia de la materia oscura. ¿Es posible que la naturaleza haya sido tan falaz que haya hecho que la materia ordinaria -de la que usted y yo estamos hechos- sea solo un componente menor en toda la masa del universo?

Si atendemos a todos los pronunciamientos de la comunidad astronómica sobre los descubrimientos relacionados con la materia oscura debemos suponer que su existencia es un hecho, pero esto sería un error. A pesar de algunas pruebas sólidas de que algo invisible está causando un fenómeno extraño, realmente no hemos detectado la materia oscura y hay quienes dudan incluso de su existencia.

Imagen: José Luis Muñoz. Asociación Astronómica Jerezana Magallanes.

En primer lugar, una breve reseña sobre por qué creemos que la materia oscura existe. En 1933 los astrónomos Fritz Zwicky y Sinclair Smith descubrieron que los cúmulos de galaxias se comportaban como si su masa total fuera mucho mayor que la masa atribuible a las estrellas y gas que las formaban. Las galaxias dentro de estos grupos giraban tan rápido que, si la teoría gravitacional estándar es correcta, estas galaxias deberían desintegrase en el espacio. ¡Algo estaba mal!

Otro conjunto de observaciones hechas en la década de los 70 dio impulso a la teoría de que gran parte de la masa del universo era invisible. Vera Rubin señaló que la curva de rotación de las galaxias espirales no sigue la ley de la gravitación de Newton. La velocidad orbital de las estrellas debe disminuir a medida que aumenta su distancia desde el centro de la galaxia, pero no era así, permanecía constante, resultando de esta manera una curva de rotación plana. O bien Newton estaba equivocado, o algo invisible añadía  masa de forma significativa a las galaxias.

Las lentes gravitacionales vinieron a añadir una anomalía más. Este efecto se produce cuando la luz de una galaxia distante es doblada por la gravedad combinada de un cúmulo de galaxias en la línea de visión entre la Tierra y la galaxia lejana. Predichas por Einstein décadas antes de que se observaran, las galaxias que sufrían este efecto también se comportaban como si la cantidad de materia en el cúmulo fuera muchas veces mayor que la masa que deberían  tener las estrellas y el gas que lo componen.

Finalmente, las observaciones de la radiación cósmica de fondo de microondas hechas por el satélite WMAP muestran oscilaciones de temperatura que podrían explicarse si la mayoría de la materia del universo estuviera compuesta por algo distinto a los protones, neutrones y electrones.

Radiación cósmica de fondo de microondas. WMAT/NASA

La materia oscura se ha postulado como una explicación a estas observaciones y en las últimas dos décadas los científicos han intentado averiguar qué es exactamente. Las teorías iniciales de que la materia oscura consiste en estrellas muertas y materia convencional invisible han sido descartadas en favor de la actual teoría de “materia oscura fría” que postula la existencia de partículas con masa que no interactúan con la materia ordinaria excepto a través de la fuerza de gravedad. Estas partículas teóricas llamada "partículas masivas de interacción débil" o WIMPs (weakly interacting massive particles), deberían ser detectables por el Gran Colisionador de Hadrones. Mientras que la teoría predice que las partículas WIMP deberían superan  a la materia ordinaria en una proporción aproximada de 6:1 y que billones de ellas deben pasar a través de la Tierra cada segundo, lo cierto es que, a pesar de que se han realizado decenas de experimentos durante muchos años de funcionamiento, nadie ha sido capaz de detectarlas. Esta falta de evidencia experimental de partículas de materia oscura ha llevado algunos a considerar otras explicaciones para estas anomalías observacionales.

Una explicación alternativa es observar la gravedad. Quizás las teorías existentes de la gravedad están equivocadas a escalas de galaxias y cúmulos a pesar de la abrumadora evidencia experimental de que son precisas a escala del sistema solar. ¿Podría haber un aspecto desconocido de la gravedad que haga que sus efectos difieran de la Ley de Newton en grandes distancias?

Efecto de lente gravitacional

El primer intento serio de una teoría modificada de la gravedad fue realizado en 1981 por Mordehai Milgrom con su Teoría de la Dinámica Newtoniana Modificada o MOND. MOND modifica la segunda Ley de Newton del movimiento para aceleraciones muy pequeñas (por ejemplo, el entorno que se encuentra cerca de los bordes de las galaxias). Aunque MOND ha sido capaz de predecir con exactitud efectos como las curvas de rotación de galaxias no ha sido capaz de explicar otras anomalías gravitacionales sin acudir para ello a la materia oscura.

Otra explicación para los supuestos efectos de la materia oscura ha sido propuesta por el Dr. John Moffat, profesor emérito de física en la Universidad de Waterloo. El Dr. Moffat también es residente afiliado miembro del Perimeter Institute for Theoretical Physics de Ontario, Canadá. En su libro reciente, Reinventando la gravedad, proporciona un resumen detallado y legible del problema de la materia oscura y las diversas explicaciones alternativas, incluyendo su propia teoría modificada de la gravedad llamada MOG. MOG propone modificaciones a la Teoría de la Gravitación de Einstein para dar cuenta de una quinta fuerza de la naturaleza además de las fuerzas de la gravedad, electromagnetismo y las fuerzas fuerte y débil. Esta quinta fuerza es repulsiva y debilita la gravedad dentro de los campos gravitacionales profundos de galaxias y cúmulos. A distancias extremas sus efectos disminuyen dejando un campo gravitacional más fuerte de tal manera que amplia el alcance gravitacional aparente de objetos masivos. Más allá de esta distancia crítica (que es predicha por MOG) la gravedad disminuye según lo determinado por la Ley de Newton. 

Junto con la Quinta Fuerza, MOG también contiene una constante gravitacional que varía con el espacio y el tiempo a diferencia de la constante fija de Newton. Como resultado, MOG también proporciona explicaciones alternativas del big bang y los agujeros negros, pero estos son temas para otra ocasión.

MOG ha realizado un excelente trabajo explicando curvas de rotación galácticas y lentes gravitacionales sin necesidad de la materia oscura. También predice de forma precisa la estabilidad de cúmulos de galaxias sin requerir ninguna masa adicional.

Moffat ha demostrado también que MOG puede explicar los picos de onda acústica observados en el fondo de microondas que se han atribuido a los efectos de la materia oscura en el universo temprano.

Cúmulo Bala. Imagen: Hubble/NASA.

La prueba más reciente de la teoría de Moffat fue proporcionada por las observaciones del Cúmulo Bala, dos cúmulos de galaxias que han chocado y supuestamente se han separado de su materia oscura. Mientras las estrellas y gases de los dos grupos no fueron afectados por la colisión, se observa un efecto de lente gravitacional fuera de la región de la materia visible que se cree pueda contener la materia oscura. Dado que la materia oscura sólo interactúa con la materia ordinaria a través de la gravedad, esta fue dejada atrás. Los titulares de los artículos proclamaron «observada la materia oscura» y "una prueba empírica directa de la existencia de materia oscura". ¿Pero es así realmente? ¿Sólo se pueden explicar los efectos de lentes gravitacionales en el Cúmulo Bala por el hecho de que más del 75% de la materia en el universo sea invisible? De acuerdo con un artículo publicado por Moffat y su colega Joel Brownstein, todos los efectos observados en el Cúmulo Bala pueden explicarse por MOG. Aunque la matemática es complicada, la conclusión es que la fuerza adicional en MOG produce una distribución masiva que explica los efectos de las lentes gravitacionales sin necesidad de la materia oscura.

Cualquier buena teoría de cómo funciona el universo debería hacer predicciones comprobables. Para objetos de tamaño del Sol y la Tierra, MOG predice la misma precesión orbital que hace la Relatividad General de Einstein, tanto si es en el sistema solar o cerca de sistemas orbitales relativistas como púlsares binarios. MOG predice también con precisión la velocidad orbital de las estrellas en los cúmulos que deberían contener materia oscura, pero que por alguna la razón actúan como si no la tuvieran. Una de las predicciones más interesantes que provienen de MOG es que las masas inerciales y gravitacionales de un objeto pequeño sean diferentes a aceleraciones muy pequeñas, como en un ambiente cercano a la ingravidez. Mientras que estas pequeñas aceleraciones y masas son muy difíciles de medir con precisión, si dicha diferencia se descubre entonces además de acabar con la necesidad de materia oscura, MOG también puede empezar a arrojar luz sobre algunos de los misterios fundamentales de la masa, la inercia y la gravedad.

¿Cuál es el siguiente paso en la batalla entre la materia oscura y teorías alternativas de la gravedad? Los experimentos para medir la gravedad y la aceleración a distancias muy pequeñas pueden conducir a resultados que apoyen la MOG. Si, por otro lado, uno de los muchos experimentos diseñados para detectar partículas de materia oscura tiene éxito y sus resultados pueden ser verificados, entonces la MOG podría desvanecerse como lo hicieron otras teorías de la gravedad alternativas a las de Newton y de Einstein. Permaneceremos atentos.

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