Multidark: nuestro lugar en la búsqueda de lo invisible

Como decía el último artículo de Ciencia Ibérica de Juanjo Bazán, no nos deja de sorprender cómo la ciencia se abre paso poco a poco a través de toda la maraña de información que recibimos hoy en día y cada vez tiene un hueco mayor en el imaginario colectivo. Todas las semanas encontramos noticias de los últimos avances científicos.

No en vano, es increíble el grado de conocimiento que hemos llegado a tener del mundo que nos rodea. Aún quedan muchas preguntas sin respuesta, eso es obvio, pero imaginad las expectativas que tendrían hace cien o ciento cincuenta años, cuando ni siquiera podían llegar a imaginar muchos de los interrogantes que nos planteamos actualmente. Aún así, todo lo que conocemos, todo aquello de lo que tenemos constancia directa, todo lo que podemos “ver”,  no es más que un mísero 5% del universo.

¿Qué hay ahí fuera?

¿Dónde está el resto? Seguro que más de una vez habéis escuchado los exóticos y por supuesto equívocos términos de materia oscura y energía oscura. Suenan a ciencia ficción, recuerdan inevitablemente a La guerra de las galaxias o Star Trek. Sin embargo, aunque misteriosas, la materia oscura y la energía oscura poco tienen que ver con los usos prácticos que nos muestran estas historias futuristas.

El universo no es estático, se expande y evoluciona con el tiempo, y con él también lo hacen sus componentes. En el universo temprano, antes de que se formasen los primeros átomos de hidrógeno (estamos hablando de cuando el universo era sólo un bebé de menos de 380.000 años) todo el universo era materia y radiación. Sin embargo, según el universo se fue expandiendo, la materia y la radiación se diluyeron y acabaron dejando paso a una energía de vacío (actualmente es el 70% de toda la energía del universo) que se opone a la gravedad y que hace que el universo se expanda aceleradamente. Esto contradice la idea de una gran explosión cuya expansión se ve debilitada por la gravedad y acaba por colapsar de nuevo sobre sí misma. Como podéis ver, la física juega con nuestras mentes y va más allá de nuestra imaginación.

Pero antes de que se hablara de energía oscura, los cosmólogos y astrofísicos llevaban ya varias décadas preguntándose que podría ser la materia oscura. En astrofísica, hay diferentes métodos para deducir la masa de una estrella o una galaxia. Una de ellas es por la luz que emiten, lo cual es útil, ya que las observaciones no son otra cosa que contar fotones. Otra es estudiar el movimiento de las estrellas en un cúmulo e inferir la masa por las velocidades observadas. Ambas masas (llamémoslas luminosa y dinámica) deberían coincidir. Pero no lo hacen. Para explicar el movimiento de las estrellas, debería haber mucha más masa de la que se deduce por la luz que nos llega. Esta fue la primera evidencia de lo que equívocamente se acabó llamando materia oscura. De nuevo, la física se ríe de nosotros.

Curva de rotación extendida y el halo de materia oscura de la galaxia M33. Para explicar la curva se necesita un componente mucho más extendido y masivo de materia no luminosa. Datos de E. Corbelli, P. Salucci (2000).

Curva de rotación extendida y el halo de materia oscura de la galaxia M33. Para explicar la curva se necesita un componente mucho más extendido y masivo de materia no luminosa. Datos de E. Corbelli, P. Salucci (2000).

Lo que verdaderamente hace de la materia oscura un pilar básico del actual paradigma cosmológico (la materia oscura conforma el 85% de toda la materia del universo) es que se encuentran evidencias de su existencia en muy diferentes escalas y procesos físicos. En la curva de rotación de las galaxias espirales, también se necesita la presencia de mucha más masa de la que dicta la masa luminosa. Los brazos de estas galaxias deberían de rotar más despacio de lo que observamos. Sin embargo, se puede explicar esa velocidad de rotación si se introduce más masa distribuida en una zona mucho mayor que la galaxia. También se observa a escalas aún mayores en los cúmulos de galaxias, donde, gracias a las lentes gravitacionales, se puede inferir la distribución de masa total. En el caso de cúmulos que están chocando entre sí, se observa que la mayoría de la masa no se queda en el centro, como ocurre con el gas, si no que se mantiene en el centro de cada cúmulo porque su interacción es muy débil. Por lo tanto, volvemos a encontrarnos con la materia oscura.

De este modo, se llegó a comprender que las galaxias comienzan a formarse en el seno de estos halos de materia oscura, que inician su colapso antes que la materia luminosa. Por lo tanto, sin materia oscura, no podrían haberse formado tantos cúmulos de galaxias como podemos observar en el universo.

Imagen del cúmulo de la Bala con datos superpuestos del rango visible (galaxias) y rayos X (gas mostrado en rojo). En los cúmulos de galaxias, la gran parte de la masa luminosa es gas intergaláctico. En azul, se muestra la masa inferida por lentes gravitacionales, que es mucho mayor que la masa debida a las galaxias y al gas juntos. Imagen tomada de rayos-X: NASA/CSC/M. Markevitch et al; óptico: NASA/STScl Magellan/U.Arizona et al; y mapa por lentes gravitacionales: NASA/STScl.

Imagen del cúmulo de la Bala con datos superpuestos del rango visible (galaxias) y rayos X (gas mostrado en rojo). En los cúmulos de galaxias, la gran parte de la masa luminosa es gas intergaláctico. En azul, se muestra la masa inferida por lentes gravitacionales, que es mucho mayor que la masa debida a las galaxias y al gas juntos. Imagen tomada de rayos-X: NASA/CSC/M. Markevitch et al; óptico: NASA/STScl Magellan/U.Arizona et al; y mapa por lentes gravitacionales: NASA/STScl.

¿Qué es la materia oscura? Multidark

¿Qué es algo que no interacciona electromagnéticamente ni por interacción fuerte (lo que mantiene unidos a los protones y neutrones), pero sí gravitacionalmente y por lo tanto solo podemos detectar su presencia por el efecto que tiene sobre objetos que sí emiten luz? Aquí comienza la guerra de desgaste, en la que cada pequeño avance supone una batalla ganada y un paso más hacia su entera descripción. No se espera un descubrimiento milagroso, si no que, después de ir acotando las posibilidades, se puedan descartar hipótesis.

Para colocar la ciencia española en la vanguardia de todos estos esfuerzos, apareció MultiDark (Método de Multimensajeros para la Detección de la Materia Oscura). Multidark es un proyecto español financiado por el programa Consolider Ingenio de 2010 formado por 11 grupos teóricos, experimentales y astrofísicos de hasta 18 universidades o institutos de investigación españoles. Así, Multidark ha permitido analizar en detalle los distintos candidatos de materia oscura, contribuir en el desarrollo de experimentos para detectarlos e investigar cómo se forman los halos de materia oscura donde se alojarán las galaxias. Aparte de coordinar los esfuerzos de los grupos españoles y financiar su investigación durante estos cinco años, Multidark ha establecido colaboraciones entre sus participantes y los grandes grupos y proyectos internacionales.

¿Cómo buscamos algo que no se ve?

La búsqueda de la materia oscura se vertebra en tres ramas diferentes y en todas ellas participa Multidark: teoría, detección y  comprensión. Antes de poder diseñar un experimento para detectar la materia oscura, es necesario desarrollar un modelo teórico que nos permita orientarnos y para ello necesitamos comprender cómo se comporta la materia oscura. Esto último se consigue mediante simulaciones. Una vez determinadas unas condiciones iniciales, se puede calcular un “universo” dentro de un supercomputador. Cruzando el resultado de la simulación con datos observacionales, se puede analizar la validez del modelo y, como tenemos toda la información del “universo” calculado, podemos comprender la evolución de los elementos que se introdujeron inicialmente.

Como el catálogo de candidatos a materia oscura es realmente amplio (existen multitud de modelos que introducen nuevas partículas que cumplen con las condiciones necesarias) la detección es complicada. Prácticamente cada candidato exige un tipo de experimento distinto. Actualmente, el candidato al que la comunidad científica le da más papeletas es el WIMP (Weakly Interactive Massive Particle) que supone que, aparte de gravitacionalmente, la materia oscura también es sensible a la interacción débil (la responsable, entre otras, de la desintegración radiactiva). La materia oscura puede detectarse de manera directa (interacción de una partícula de materia oscura con el detector), indirecta (detección de partículas conocidas producidas al aniquilarse la materia oscura) o produciéndola en el LHC. A pesar de todos los esfuerzos, aún no se ha detectado ningún evento producido por materia oscura en estos experimentos, pero eso no significa que la investigación esté estancada. Todo lo contrario. Cada vez se estrecha el cerco alrededor de la materia oscura, acercando su detección. Por eso, la búsqueda tiene que continuar.

¿Y ahora qué?

El proyecto Multidark finaliza este año tras haber sido prorrogado un año. El problema es que, con la desaparición del programa Consolider (Multidark pertenece a la última convocatoria) el futuro se presenta sin ningún programa gubernamental que coordine y aporte la financiación necesaria para continuar la investigación al gran nivel que mantenía Multidark. Lo mismo ocurrirá con otros muchos proyectos de todas las ramas del conocimiento. Por lo tanto, si nada cambia, la ciencia española perderá la posibilidad de mantener los proyectos de coordinación que la coloquen en la élite mundial, contribuyendo al constante deterioro al que se ve expuesta durante los últimos años.

***

Foto de portada: Evolución de la densidad de materia oscura en un cúmulo en el presente. Imagen obtenida de una simulación de Multidark realizada por K. Riebe.

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