La intuición sobre la existencia de seres y cosas que no podemos detectar con nuestros cinco sentidos ha acompañado al hombre desde los comienzos. El tema ha sido base para la creación de obras de arte y literatura, de tratados filosóficos y sistemas religiosos, mientras la Ciencia, muy apegada a los datos provenientes de la observación cuidadosa y de los experimentos, ha sido tildada frecuentemente de lenta y conservadora cada vez que ha soslayado el tema. La situación es muy clara: la Ciencia necesita tiempo para estudiar con suficiente detenimiento las manifestaciones fenomenológicas concretas, en tanto que la curiosidad humana se desborda impaciente, y trata de explorarlo todo a ritmo creciente. Resultado de esa curiosidad surgen dos polos en tensión y esa tensión entre Ciencia y pseudo-ciencia se resuelve en contados casos a favor de la primera, mientras que la segunda crece en popularidad, apoyada las más de las veces por los medios masivos de comunicación. La Ciencia es menos popular porque declara sus limitaciones, reconoce que sólo es capaz de crear modelos imperfectos de la realidad y que sus especulaciones tienen que mantenerse dentro del rigor lógico. Por otro lado, la pseudo-ciencia nos presenta un mundo que satisface nuestra tendencia a la credulidad, y nos permite imaginar las cosas como queremos que éstas sean. La pseudo-ciencia casi siempre es más atrevida en las especulaciones, quizás más excitante en sus argumentaciones, las que satisfacen muchas de nuestras necesidades emocionales. Pero el mundo es como es, no como queremos que sea, y sólo conociéndolo adecuadamente podremos transformarlo siguiendo sus propias leyes. Descubrir esas leyes es la ardua tarea de la Ciencia.

Sin embargo en lo que a especulaciones se refiere la Cosmología es una clara excepción. Devenida tema científico muy recientemente, esta rama de la Física disfruta de la madurez alcanzada por ésta gracias a los portentosos avances en la investigación fundamental y en las aplicaciones ingenieriles. Los físicos han sido capaces de desarrollar extraordinarias herramientas para la experimentación audaz y la observación minuciosa; han desplegado, a un nivel no logrado en otras ciencias particulares, una creciente matematización del conocimiento adquirido; tienen una vocación indiscutible por las realizaciones ingenieriles y sus aplicaciones prácticas; y han siempre mantenido una estrecha y fecunda vinculación con los alcances filosóficos de sus descubrimientos y sus proyecciones especulativas. La interacción de todas estas componentes ha hecho de la Física una ciencia particular paradigmática, y la Cosmología concretamente ha obtenido reales ganancias de esa madurez lograda. Un ejemplo de todo esto es la tecnología orbital para la obtención de datos y de la cual el telescopio Hubble es el más conocido ejemplo. El tema que nos ocupa ahora, el referente a la materia obscura, ilustrará todo lo antes dicho.

Los primeros estudios observacionales asociados a la estimación de “la cantidad de materia obscura en el Universo” fueron realizados en los años 20 del siglo pasado. El método utilizado entonces consistía en contar las estrellas, aplicar las leyes físicas conocidas entonces, y aventurar una estimación. En aquel entonces J. H. Jeans, un físico muy famoso por sus estudios en Electromagnetismo, enunció que “por cada estrella brillante existen alrededor de tres estrellas obscuras” (2). Como veremos más adelante esta estimación fue asombrosamente correcta. La principal asunción hecha por Jeans en sus cálculos era la homogeneidad e isotropía en los valores de la densidad de la materia cósmica, algo que nosotros referimos ahora como “principio cosmológico”.

Sin embargo, la evidencia principal sobre la posible existencia de materia no detectable por sus emisiones (materia oscura) vino en los años 30, cuando se comenzaron a estudiar las aglomeraciones de galaxias (clusters) y se descubrió que las mismas eran muy estables, a pesar de las altas velocidades detectadas en las galaxias que las componían. Dichas velocidades producen valores de energía cinética capaces de sobrepasar la energía gravitatoria de las aglomeraciones galácticas para los valores de masa detectados (los físicos inmediatamente dijeron que parecía violarse el Teorema del Virial). Los datos parecieron ya sugerir que los cuerpos altamente luminosos de las galaxias se encontraban embebidos dentro de una masa aún mayor. Adicionalmente, los gráficos que muestran la velocidad de los discos galácticos indicaron que dicha velocidad en un rango grande de distancia al centro no depende de dicha distancia, algo que resulta ser muy raro. Veamos: cuando un cuerpo sólido rota la velocidad angular de todos sus puntos fuera del origen es la misma, pero los puntos mas alejados del centro tienen que rotar más rápidamente para mantener la integridad del cuerpo; cuando un cuerpo líquido rota, algo parecido ocurre pero se producen saltos de líquido porque en ese estado la atracción entre las partículas no es tan fuerte como en un sólido. Cuando un cuerpo gaseoso, o con estructura compleja que tiene gas y polvo como las galaxias, rota, muchas de sus partes se van quedando atrás porque la interacción no es suficientemente fuerte. Se esperaba un efecto como ése en las galaxias, pero los valores medidos mostraron una interacción mayor entre las partes, como si ellas estuvieran, una vez más, embebidas en un medio indetectable. El astrofísico suizo Fritz Zwicky (1933) se apresuró en enunciar que “debe existir alguna otra forma de materia, con masa y gravedad suficiente, capaz de mantener cohesionados los sistemas galácticos” (3).

Los cosmólogos estaban de plácemes. Habían recibido datos astrofísicos que apoyaban el supuesto de que existía más materia en el Universo, lo cual permitía suponer que la expansión podría ser frenada. El problema puede parecer irrelevante para las personas muy imbuidas en nuestra vida terrenal, pero el destino del Universo depende del balance real de materia en el mismo. Sabemos que el Universo se expande, sabemos que dicha expansión puede llevar a su enfriamiento total y a su muerte térmica, lo cual significa que aún como especie enfrentamos la extinción total. Es cierto que existe una enorme reserva de tiempo, que aún sólo exploramos una sección muy pequeña del todo, que no sabemos, y nunca sabremos, que nos depara el futuro, pero para las mentes preocupadas en el tema resulta alentador pensar que la reserva de tiempo para nuestras acciones humanas no tiene límites.

Ahora bien, la hipótesis sobre la existencia de materia oscura trajo más preguntas, algo típico en la investigación científica: ¿De qué está compuesta esa materia oscura?, ¿puede interactuar la misma de forma no gravitacional con la ‘materia clara’?, ¿de cuánta materia se habla en términos de cantidad?...

Los cosmólogos consideran que existen dos clases principales de materia oscura: bariónica (materia normal cuya masa se determina por los protones y neutrones, llamados bariones), y extraña (materia compuesta de partículas desconocidas muy masivas pero de débil interacción, de neutrinos, y de axiones). La terminología será totalmente aclarada cuando estudiemos el Modelo Standard en el próximo capítulo, y aquí sólo pretendo que mis lectores entiendan que existe una teoría muy elaborada sobre qué constituye la materia oscura. Como puede verse, la discusión se centra entonces en los defensores de uno u otro tipo de materia oscura, pero en algo todos parecen coincidir: la materia oscura parece representar 90-95 % de la materia total del Universo, dejando 10-5 % para la ‘materia clara’. Con esa estimación, recordemos el capítulo anterior, se obtiene un equilibrio entre la energía cinética de expansión, y la energía potencial de atracción. De ser cierto este equilibrio el Universo enfrentaría una expansión ilimitada pero con el ritmo más lento permitido, lo cual nos daría tiempo como civilización para actuar si eso fuera posible.

No obstante, las cosas se han complicado recientemente. Las últimas observaciones del telescopio Hubble (Marzo 2004), así como las obtenidas por medio de un sensor especial denominado por sus siglas en inglés WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), parecen indicar que el objeto más alejado de nosotros en el Universo, una galaxia con colores corridos al rojo por la expansión en un factor de 10, parece estar a unos 31.5 mil millones de años. Esta distancia es mucho mayor que la que podría recorrer la luz por si sola durante toda la edad del Universo, pero recordemos que la expansión produce un efecto adicional. Cuando dividimos esa distancia entre la edad del Universo la velocidad aparente de la luz resulta alrededor de 720 000 km/s, más de dos veces mayor que su valor, indicando que la expansión parece aún existir, una expansión por demás acelerada y que parece por lo menos duplicar las grandes distancias. Con esos nuevos datos de masa para la materia obscura se estiman en solamente una tercera parte de los valores originalmente considerados. El problema persiste.

Existen además hipótesis alternativas a la materia oscura para explicar las observaciones. Una de estas hipótesis, para mí la más atractiva, sugiere que las expresiones para la interacción gravitatoria a escala galáctica no son realmente conocidas, y que los modelos actuales extrapolan las expresiones que han sido obtenidas a escalas menores. Se han propuesto expresiones matemáticas que a gran escala producen una compactación de una dimensión espacial y hasta de dos, algo que incluso ha sido sugerido a partir de las observaciones, pues la visión que tenemos de las aglomeraciones de galaxias parece reducirse a dos dimensiones (¿un efecto óptico por la lejanía o una real compactación?), y a escala aún mayor las aglomeraciones de aglomeraciones galácticas (hiper-aglomeraciones) parecen formar una estructura filamentosa que parece indicar una dimensión fraccionaria (un fractal) con valor cercano a uno. De ser así, la interacción gravitatoria resultaría más intensa y cualitativamente diferente al modelo que ahora tenemos de ella, y la asunción de grandes cantidades de materia obscura no haría falta. Otra hipótesis plantea que los valores estimados de materia obscura pueden ser modelados como un flujo turbulento de espuma cuántica que produce un incremento en los valores de interacción. Esta propuesta parece retomar la idea de Renato Descartes (1596-1650) que planteaba que alrededor de los centros de masa se producen remolinos que acentúan los efectos de interacción en el espacio circundante (Descartes hablaba del Sol pero aquí he modernizado un tanto su idea). Sólo nuevas observaciones y modelos nos dirán cual de estas hipótesis resiste el escrutinio de la Ciencia.

Considero que a pesar de todas esas complicaciones el Universo nos envía un mensaje claro: independientemente de la escala que observemos, siempre aparecen de forma natural estructuras organizadas que evolucionan. Esta auto-organización es resultado de la interacción, y los patrones concretos que se obtienen son la resultante de esa interacción y de las condiciones concretas del medio circundante. Los patrones tienen forma filamentosa cuando observamos como se ordenan las hiper-aglomeraciones y toman una forma bidimensional redondeada en las aglomeraciones de galaxias. A nivel galáctico observamos galaxias en espiral (no todo el gas se transformó en estrellas) y galaxias elípticas (casi todo el gas se transformó en estrellas), y la observación de zonas distantes indica que en etapas anteriores habían más galaxias espirales que elípticas, lo cual sugiere que las primeras representan un estadio más temprano. Dentro de las galaxias tenemos huecos negros, diferentes tipos de estrellas (cuerpos muy calientes) y planetas (cuerpos fríos)…Siempre una tendencia natural para la formación y desarrollo de estructuras estables que evolucionan, dando escenario y oportunidades para el surgimiento y evolución de procesos aún más complejos.

Referencias (lecturas adicionales).
(1) Carl Sagan: El Mundo y Sus Demonios: La Ciencia como una luz en la Oscuridad;
Editorial Planeta S.A., Barcelona, 1997

(2) Rubin, V. C., 2003: A Brief History of Dark Matter; Proceeding of the Space Telescope Science
Institute Symposium, Baltimore, Maryland, April 2-5; pp 1-13

(3) Rubin, V. C., ibid.

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