Aspectos de la materia oscura y energía oscura

Vamos a hablar de dos conceptos que no guardan relación entre sí, al menos que se sepa, pero que son motivo de discordia en el mundo de la ciencia: materia oscura, y energía oscura. Solo hay que entrar en un bar y ver qué todo el mundo está hablando de materia y energía oscuras con gran pasión… Bueno, quizás no llegue a tanto, es verdad. Pero sí a algunos nos interesa llegar a conocer estos dos aspectos clave de la ciencia actual.

Recientemente estaba leyendo un artículo de un diario sobre la materia oscura (no confundir con la energía oscura), y, como casi siempre, me dirigí a los comentarios de los lectores. Y, como casi siempre, los comentarios eran variados. Algunos muy interesantes de personas entendidas en la materia, otros muy interesantes de personas desconocedoras del tema que preguntaban cuestiones interesantes y deseaban más información.

Siempre es bueno que quien no conoce algo se informe y pregunte. Preguntar es el camino a la sabiduría. Si alguien contesta, está ayudando a esa persona a desarrollarse como individuo. Y otro día esa persona que preguntaba podría responder a otro, en una cadena de conocimiento cada vez mayor del que nos beneficiamos todos.

Luego están aquellos comentarios vacíos, frutos de la ignorancia, con afirmaciones sin sentido del tipo «y eso para qué sirve» o «dejaos de tonterías y preocupaos de las cosas importantes», y que no aportan nada.

Deberían quedar claro dos cosas:

1. Es mejor saber algo que ignorarlo, independientemente de qué conocimiento sea.
2. El conocimiento que hoy no tiene una utilidad definida, mañana podría ser la solución para alguno de los problemas que acucia a la humanidad. Nuevas medicinas, nuevas energías, etc. Esto se ha demostrado infinidad de veces.

Decía Albert Einstein que todos somos ignorantes, pero no todos ignoramos las mismas cosas. Y de eso se trata. Si quiero valorar un cuadro, hablaré con un experto en arte. Y si quiero valorar un avión, hablaré con un ingeniero aeronáutico. Cada cual conoce lo que sabe, y luego están los que no saben nada, y hablan de todo. Como yo. Pero al menos yo no me jacto de ello, ni presumo. Al revés, reconozco mi ignorancia, pero trato cada día de ser un poco menos ignorante.

Así que he considerado interesante comentar este tema de la materia oscura, junto a la energía oscura, y ver de forma abreviada qué significan estos términos.

Materia ordinaria.

La materia ordinaria es la que conocemos, el material del que estamos hecho, la «chicha» que dirían algunos. Y también se incluye lo que comunmente denominamos energía. A la mayor parte de la materia se la suele denominar bariónica, porque la mayor parte de la misma está formada por bariones, aunque pertenecen a la familia de los fermiones (siendo el otro tipo los bosones, sin masa, como los fotones de luz, o el famoso bosón de Higgs). Los bariones son el nombre que reciben todas aquellas partículas formadas por quarks. La mayor parte son los protones y los neutrones. Como son mucho más pesados que los electrones, se suele decir que la materia ordinaria es materia bariónica. Esto es verdad en gran parte, aunque estamos dejando otras partículas de lado, especialmente los electrones, que son también fermiones, y que se encuentran dentro del grupo de los leptones.

Todos estos nombres suenan raro, por supuesto, pero en realidad no son más que una familia bien avenida de partículas, cada una de ellas con sus particularidades. Todas las partículas de una familia comparten unas características comúnes, algo parecido al ADN de una familia. La imagen adjunta muestra las partículas que se conocen en la actualidad.

He borrado el «a confirmar» del bosón de Higgs, porque ya se ha verificado su existencia. ¿Por qué estas partículas, y por qué estas propiedades? Nadie lo sabe, pero es evidente que se siguen unas leyes que precisamente las teorías actuales, como la de cuerdas o la gravedad cuántica de bucles, intentan explicar. Los valores aparentemente arbitrarios y las propiedades de esas partículas deben de tener una explicación, y hay que buscarla. ¿Por qué? Porque queremos conocer la naturaleza. De la misma forma que quisimos saber qué era el fuego, o por qué llovía, y de la misma forma que responder a esas preguntas nos ha ayudado, comprender por qué el universo es como es nos ayudará también.

En resumen, si hablamos de materia bariónica, estamos hablando casi al cien por cien de la materia que tocamos y vemos cada día, formada por átomos que tienen en su interior los protones y neutrones, que conforman el 99% de la masa de un átomo. La mayor parte de esa materia se creó en las primeras supernovas. Sin ellas no habría elementos pesados. Es decir, no habría vida, ni seres humanos. Se puede decir, por lo tanto, que somos hijos de las estrellas.

Resumiendo: los fermiones, como los bosones, son y conforman las partículas que conocemos, y que se encuentran dentro de lo que se llama Teoría Estándar. Esta teoría explica tres de las cuatro fuerzas fundamentales: la electromagnética, la nuclear fuerte, y la nuclear débil. La cuarta, la gravedad, queda fuera. Claro que la gravedad no es en realidad una fuerza. Lo es cuando se habla de física newtoniana. Pero en relatividad general, la gravedad es una distorsión del tejido espaciotemporal. Y esto conlleva una curiosa situación: el tiempo, y el espacio, están íntimamente unidos. Si se cambia uno, cambia el otro.

Puede que esto vaya en contra del sentido común humano, lo cual deja claro que el sentido común humano tiene muy poco de sentido, y menos de común. El universo no es como queremos que sea, sino como se presenta sobre las teorías actuales de física.

¿Cuál es el problema? Parece ser que la materia y energía que conocemos conforman, únicamente, el 5% del total del universo. El resto, el 95% restante (redondeando), se reparten entre materia oscura, y energía oscura.

Materia oscura.

Antes de nada, se oye por ahí que la ciencia actualmente desconoce el 95% del universo. Es decir, como solo el 5% del universo parece estar hecho de la materia y energía que conocemos, parece que el 95% es una incógnita.

No, esto no es exactamente así. Sucede que tenemos dos aspectos de la naturaleza cuya base científica no está explicada: la materia oscura, y la energía oscura. La materia oscura supone el 20% del universo, y la energía oscura, el 75%. Eso suma 95, que deja el 5% de la materia bariónica ya conocida (insisto: redondeando). Pero son dos aspectos de la naturaleza a conocer, no quiere decir que haya un 95% de cosas que todavía no sabemos. Somos ignorantes en muchas cosas todavía, es cierto, pero no podemos calcular hasta ese extremo nuestra ignorancia.

¿Qué es, en definitiva, la materia oscura? Nadie. Lo sabe. Fin.

Bueno, no, fin no, ahí es donde se quedan algunos. Otros intentamos ir más allá del «nadie lo sabe». Y es cierto que es algo que se escapa constantemente del control de los instrumentos. Pero hemos de perseverar en el conocimiento. Se han lanzado varias hipótesis, pero de momento todas ellas han fallado. Una hipótesis es la de las partículas WIMP, un tipo de partículas teóricas llamadas WIMP de naturaleza superpersada, y que solo interactuarían con la gravedad y la fuerza nuclear débil, o en algunos casos solo con la gravedad, parecen no existir en la naturaleza, al menos hasta el punto de las mediciones realizadas hasta ahora.

Estas partículas serían conceptualmente lo que la teoría de cuerdas explica como partículas supersimétricas en algunos aspectos, tratándose de partículas iguales a las ya conocidas, pero de una masa muy superior. Su no detección podría indicar, una vez más, que la teoría de cuerdas no es una verdadera teoría completa. Eso no significa que no haya aspectos de ella interesante, pero no al menos en este ámbito.

Otra teoría reciente hablaba de que los neutrinos podrían ser realmente los candidatos, especialmente un tipo nuevo llamado neutrinos estériles. Pero estos neutrinos estériles no terminan de aparecer. Así que otro intento fallido. Y de eso trata la ciencia: de fallar, para ir descartando hipótesis, hasta dar con la correcta.

Pero sigamos con lo que sí sabemos de la materia oscura.

La materia oscura se ha detectado desde finales del siglo XX por la acción gravitatoria que genera en grandes áreas del espacio. No actuaría a escala local, es decir, en áreas pequeñas como un sistema estelar. Pero en grandes áreas, como los brazos de nuestra galaxia espiral, los efectos parecen ser evidentes. No se puede explicar el comportamiento de la masa de los brazos estelares de la galaxia solamente mediante el campo gravitatorio que genera esa masa. Tiene que haber una masa adicional, que no es detectable mediante campos electromagnéticos, pero que sí actúa como campo gravitatorio. Por eso se le llama materia oscura. No es visible, pero su presencia se constata claramente por la acción gravitatoria que ejerce sobre los brazos de la galaxia.

Se han dado explicaciones alternativas de todo tipo para explicar el comportamiento de la galaxia y de esa masa faltante, pero ninguna ha sido todavía demostrada. La perturbación en la fuerza está ahí (la fuerza gravitatoria, no hablamos de jedis hoy), y actualmente laboratorios como el CERN y detectores en la Tierra y en el espacio tratan de encontrar la partícula, o partículas, causantes de este campo gravitatorio adicional.

Otras explicaciones sugieren que la relatividad general no trabaja bien en grandes áreas y con grandes masas, o incluso que otros universos puedan estar generando un campo gravitatorio adicional, pero todo eso requiere también de datos contrastados. Mientras tanto, todo es especulación. Yo mismo escribí un pequeño relato de ciencia ficción con mi propia versión de la explicación de lo que es la materia oscura, que es eso, ciencia ficción en el mejor de los casos. Si por casualidad acierto con mi hipótesis espero que me den el premio Nobel, que tengo que cambiar el Ferrari.

Mientras tanto, seguimos viendo cómo las estrellas no salen lanzadas como peonzas a gran velocidad, debido a algo que las sujeta al núcleo de la galaxia. Algo que, una vez sumada toda la masa bariónica, queda muy por debajo del campo gravitatorio necesario para explicar su comportamiento. Este es uno de esos misterios que se ponen tercos, pero precisamente son esos misterios los más interesantes, por cuanto el hecho de dar por fin una explicación real y matemáticamente coherente dota al descubrimiento de un  valor inimaginable.

La materia oscura está ahí. Pero qué es, no lo sabemos. Quizás ni siquiera sea realmente materia, sino algo que genera un campo gravitatorio como lo hace la masa. La físíca teórica sigue creando hipótesis, y los físicos experimentales haciendo pruebas. Sin duda es un tema tremendamente apasionante, para los que amamos los problemas aparentemente irresolubles, como de qué está hecho el universo, o por qué siempre se pierden calcetines en la lavadora.

Energía oscura.

Y llegamos a la energía oscura. Lo primero que ha de quedar claro es que no tiene absolutamente nada que ver con la materia oscura. El problema es que los nombres se prestan a confusión, pero son conceptos completamente distintos.

La energía oscura es un campo que funcionaría según la base de la teoría cuántica de campos, como el campo electromagnético, y que envuelve al universo por completo, generando una fuerza repulsiva, que provoca que la expansión del mismo universo se acelere. Siendo un campo, es de suponer que tendrá, al menos, una partícula asociada. Vamos a verlo.

Cuando en los años veinte y treinta del siglo XX se fue verificando que las galaxias se alejaban unas de otras, mediante una ley que indica que esa velocidad era el doble cuando un cuerpo se encontraba al doble de distancia, es decir, que se dobla en un factor del cuadrado de la distancia, se entendió que una constante que había introducido Einstein para mantener el universo estable, la constante gravitatoria, no era necesaria. De hecho, el propio Einstein confesó que la constante gravitatoria, introducida en la teoría de la relatividad general posteriormente a su enunciado, fue el mayor error de su vida.

Pero no fue así, y esa constante existe, si bien esa constante gravitatoria no actuaba de forma atractiva, sino repulsiva. Todo indica, según se ha ido verificando durante décadas, que el universo no solo está en expansión, sino que esa expansión se va a acelerando. Es como si «algo» empujase al universo a expandirse cada vez más rápido. ¿Podrían ser restos del inflatón, el campo original del que habla la teoría inflacionaria, y que permitió una expansión acelerada del universo en sus primeros instantes? Puede ser. Pero muchos físicos y cosmólogos no lo creen así. Entonces, ¿qué provoca esa aceleración?

La idea viene del concepto de energía de vacío, derivado de otro concepto: la constante cosmológica. Esto se explica fácilmente acudiendo a la mecánica cuántica. Un sistema determinado no puede hallarse por debajo de un umbral mínimo de energía, lo que se conoce como energía de Planck. Cualquier partícula desposeída de toda su energía, aún guarda un mínimo por encima de cero. ¿Cómo es eso posible? De nuevo debemos acudir a la mecánica cuántica, y a Werner Heinsenberg, que demostró que una partícula se encuentra siempre en un estado de fluctuación indeterminado, llamado función de onda, y que este estado permite conocer hasta cierto punto esa partícula, pero no con una precisión absoluta. Dicho de otro modo, cuando la partícula se mide, la función de onda probabilística que controla el sistema cuántico de la partícula colapsa, dando valores concretos dentro de una función probabilística de valores.

¿Qué ocurriría si una partícula pudiese hallarse con energía cero? Ocurriría que podríamos medir su estado de forma absoluta, y esto rompería la misma base conceptual de un sistema cuántico. Luego, necesariamente, las partículas han de poseer una energía, que es lo que se denomina energía de vacío.

En la imagen superior puede verse un esquema de la expansión del universo obtenida con la sonda WMAP. Se detalla una rápida expansión inicial debido a un campo, el inflatón, que hizo crecer el universo de forma exponencial, y el efecto acumulativo que la energía oscura está provocando, cada vez mayor conforme el volumen del universo crece, lo que provoca también un crecimiento de la fuerza repulsiva del campo. ¿Cuál es la naturaleza hipotética de ese campo?

A nivel subatómico, el tejido espacio-temporal está constantemente generando lo que se denominan partículas virtuales. Son partículas que aparecen constantemente, para desaparecer inmediatamente. Tienen por lo tanto una vida ínfima, pero, sumadas, podrían ser las causantes del campo que se conoce como energía oscura. Un campo de una naturaleza contraria a la gravedad, que ejerce una fuerza repulsiva, y que iría acelerando el universo. Algunos hablan del «big rip», traducido como «gran desgarramiento». El universo se iría expandiendo a mayores velocidades, hasta el punto de que todo se alejaría de todo tan rápidamente que se rompería en sus partículas elementales. Sería el desgarro y la muerte final del universo tal como lo conocemos, que estaría formado solo por partículas simples.

Claro que eso son también hipótesis. El hecho innegable y verificado es que el universo no solo se expande, como ya descubrió el astrónomo Hubble, sino que lo hace acelerando. Algo empuja al universo, la energía de vacío parece la explicación más plausible en la actualidad.

Definitivamente, el efecto de la energía oscura es algo verificado y comprobado, pero su naturaleza sigue siendo un problema pendiente de solucionar. Claro que la hipótesis del campo provocado por la energía de vacío suena prometedor. Pero es eso: una hipótesis de trabajo. Hay que seguir investigando.

Conclusión.

Es evidente que mucha gente se puede plantear aquello de «en realidad no sabemos nada». No es así. El mero hecho de poder hacernos estas preguntas significa que hemos llevado a cabo un largo recorrido en el descubrimiento del universo y su naturaleza y propiedades. También significa que cada nuevo reto es más complejo que el anterior, pero también hay algo muy claro: cada descubrimiento aporta mucha y nueva información. Es un trabajo en el que siempre nos acercamos a la verdad, sin llegar a conocerla del todo nunca.

Eso es ciencia. Y ese es el camino para comprender el universo y sus propiedades. Si alguien conoce un método mejor, será interesante escucharlo. Pero un método que explique todo lo que ya sabemos claro, eso como mínimo. Mientras tanto, seguiremos viajando por el infinito, comprendiendo cada vez más qué es este universo, y cuál fue su pasado, su presente, y su futuro, gracias a la ciencia.

Una aventura que puede llevar un día a la humanidad a las estrellas. Si es capaz de superar sus diferencias, sus absurdas guerras y prejuicios, y sobrevive, claro. Esa es, sin duda, otra conquista que la humanidad deberá llevar a cabo. Y, en esa, tenemos los instrumentos para conseguirlo. Que queramos o no, ese es otro tema que abordaremos en su momento.