La matèria fosca no és gens clara

A la xerrada anterior vam parlar de les observacions del Herschel, el telescopi espacial que a la banda de l’infraroig va fer observacions d’objectes que no es veuen en la banda visible de l’espectre. Fins i tot en alguns casos es va aprofitar l’efecte de lent gravitacional, que és quan la llum de l’objecte llunyà passa al costat d’un altre objecte molt massiu i resulta engrandida la imatge. Així va poder observar galàxies molt llunyanes tal com eren en el seu naixement, poc després del Big Bang.
Avui parlarem una mica més de les lents gravitacionals, però referint-nos a la detecció de la matèria fosca. Per fer-ho utilitzaré idees tretes del llibre “El telescopio de Einstein” de Evalyn Gates, publicat l’octubre de 2011 (1).

Es comença a parlar de la matèria fosca:

El primer que va parlar de matèria fosca va ser Fritz Zwicky, astrònom suís, nascut a Bulgària, de pare suís i mare txeca, va estudiar a l’Institut Tecnològic de Zurich, però que va desenvolupar el seu treball als Estats Units, a l’Institut de Tecnologia de California. El 1933, Fritz Zwicky estava estudiant el cúmul de galàxies de Coma, format per més de mil galàxies i va trobar que vuit galàxies del cúmul es movien molt més ràpidament del que es podia esperar. Tots els objectes de l’univers atrauen altres objectes que tenen al seu voltant, segons la llei de gravitació, versió de Newton o la millorada de la relativitat general d’Einstein. A major massa, major força d’atracció. En un cúmul de galàxies, cada galàxia està sotmesa a l’atracció del conjunt i s’haurà de moure amb una certa velocitat per a mantenir la seva posició i no veure’s atreta cap el centre del cúmul. Zwicky havia calculat la massa del cúmul sumant la massa estimada de les galàxies que havia observat. Per tant, podia calcular la força d’atracció del cúmul cap a les vuit galàxies que tenia en observació i la velocitat que aquestes haurien de tenir per a mantenir-se en equilibri en el conjunt. Doncs bé, Zwicky va trobar que les vuit galàxies es movien a una velocitat de 3,3 milions de km/h, el que corresponia a una massa total del cúmul 50 vegades més gran que la que havia estimat. A l’article, escrit en alemany i publicat a una revista suissa, Zwicky va suggerir l’existència d’una “dunkle Materie”, una “matèria fosca” que havia de ser present al cúmul, però que no era observable. Tres anys més tard, un altre astrònom, Sinclair Smith, va fer una observació similar al cúmul de Virgo. (1) (2)

El cúmul Coma . Imatge NASA, JPL-Caltech, SDSS, Leigh Jenkins, Ann Hornschemeier (Goddard Space Flight Center) et al.

Durant 30 anys, la comunitat científica va acollir les observacions de Zwicky amb un sa excepticisme, segons Evalyn Gates (1). Als anys 1970, Vera Rubin i Kent Ford, astrònoms americans van estudiar la galàxia d’Andròmeda, M31, (3) i mesurant la velocitat dels seus núvols de gas van concloure que havia de contenir una gran quantitat de matèria fosca. Amb les dades de que disposem avui podem dir que al voltant del 90% de la massa de les galàxies és matèria fosca. Diu Evalyn Gates que, segons les darreres determinacions de la radiació de fons de microones, només el 5% de la matèria de l’univers és normal, com la que veiem al nostre voltant, el 23% correspondria a matèria fosca, de la que sabem que, a efectes de la gravetat es comporta igual que la matèria normal i la resta, el 72%, és energia fosca (1). Segons les darreres dades del WMAP (NASA), la composició seria 4,6% matèria normal, 24% matèria fosca i 71,4% energia fosca (4).

Com es pot detectar?

Abans de poder saber què és, hem de saber com descobrir-la i com que no es pot veure, hem d’acudir a mètodes indirectes de detecció. Ja que es comporta com la matèria normal a efectes gravitacionals, podem veure com interfereix en les observacions dels objectes normals, fent, per exemple, l’efecte de lent gravitacional del que parlàvem al principi.

La primera observació de l’efecte de lent gravitacional, encara que no deguda a matèria fosca certament, és la del cúmul de les Hyades, feta el 29 de maig de 1919. Dos equips d’astrònoms britànics un a la Illa del Príncipe (Àfrica Occidental) i un altre a Sobral (Brasil), comandats per Arthur Eddington i Andrew Crommelin, van aprofitar l’eclipse de Sol per a detectar el desplaçament o efecte de lent gravitacional que provocava el Sol a la imatge de les Hyades. Recordem que això va ser la primera comprovació experimental de la teoria de la Relativitat General. Anys abans de l’observació, diversos científics, com els mateixos Einstein i Eddington, ja es van adonar de que la curvatura de l’espai-temps provocada per un objecte massiu es comportaria com una lent gravitacional i podria provocar efectes de desplaçament i ampliació de la imatge, imatges dobles o anells lluminosos. El 1936, Fritz Zwicky es va adonar que les galàxies haurien de ser lents gravitacionals més potents que les estrelles i augmentarien molt l’abast dels telescopis, permetent veure galàxies molt llunyanes. (1)

MACHO i WIMP (que es poden traduir per “mascle” i “feble”)  (1)(5)(6)(7):

Anem ja a parlar de la matèria fosca. Pot ser de dos tipus: a) que no emeti llum o que sigui tan feble que no es pugui observar, o b) que estigui formada per alguna substància que no emeti, ni absorbeixi, ni reflecteixi llum. Les sigles d’aquestes característiques en anglès correspondrien a MACHO (massive compact halo objects) i WIMP (weakly interacting massive particle). Aquests noms tan gràfics van sortir d’una broma de sobretaula: quan WIMP es venia utilitzant ja des de feia un temps i Kim  Griest, físic de la universitat de California, San Diego, va parlar dels MACHO. Va intentar retractar-se però la paraula va fer fortuna ràpidament.

MACHO és la matèria fosca, no visible, d’una grandària considerable: estrelles de neutrons, nanes marrons, forats negres, planetes de la grandària de Júpiter,… La recerca de MACHO dins de la nostra galàxia va començar el 1990 amb tres equips de científics de tot el món. Observaven estrelles regularment i comparaven la imatge amb una imatge anterior. Quan trobaven que alguna estrella presentava una major lluminositat que en l’observació anterior, miraven que no fos una estrella variable, que tenen un comportament ben conegut. El 1992 van detectar una estrella que va anar augmentant la seva llum fins multiplicar la seva brillantor per 7 i va tardar 34 dies en tornar a la seva lluminositat anterior. L’augment de la brillantor i el temps que dura el fenomen donen informació sobre la massa i el tipus d’objecte de matèria fosca. En el cas citat podria correspondre a un objecte de massa 10 vegades menor que el Sol. El projecte MACHO va acabar el 1999, amb dotze milions d’estrelles observades i tretze successos de microlent gravitacional. De les seves conclusions, el 2000, es deduïa que menys del 20% de l’halo galàctic correspon a MACHO.

Les WIMP, els científics no saben que són exactament, però segons el resultat anterior, han de dominar la galàxia (1, pàg. 151). Evalyn Gates parla de les WIMP com matèria fosca freda, ja que es mourien a velocitats relativament petites, en contraposició als neutrins, matèria fosca calenta, ja que es mouen a gran velocitat. Altres fonts engloben els neutrins amb les WIMP. El cas és que els neutrins, inventats a començament del segle XX, són ben coneguts, formen part del model estàndard de partícules i han estat detectats en xocs de partícules en acceleradors i en detectors subterranis, especialment dissenyats per evitar la interferència dels raigs còsmics. Els neutrins per si sols no serien capaços d’aportar la massa que s’atribueix a les WIMP com a matèria fosca de la galàxia. Hi ha en marxa diversos experiments de captura de WIMP, a Soudan, Minessota, a Europa al túnel del Gran Sasso (Apenins), el túnel de Frejús (Alps) o l’ IceCub, detector de neutrins d’alta energia situat al Pol Sud, …

Ja que no es troben indicis de la matèria fosca d’interacció feble (WIMP), a part dels neutrins, es pot pensar si realment no existirà i, en realitat, la teoria de gravitació d’Einstein, la Relativitat General, no servirà per les galàxies i els cúmuls. Podria ser que, igual que la gravitació de Newton ara es considera un cas particular de la Relativitat General, una nova teoria gravitatòria podria solucionar el problema de la matèria fosca que, per ara, no es troba enlloc.

Fonts d’informació:

(1) El telescopio de Einstein, Evalyn Gates. Editorial Alba. 2011.
(2) http://www.learner.org/courses/physics/unit/text.html?unit=10&secNum=2
(3) http://www.physics.ucla.edu/~cwp/articles/rubindm/rubindm.html
(4) http://map.gsfc.nasa.gov/universe/uni_matter.html
(5) http://science.nasa.gov/astrophysics/focus-areas/what-is-dark-energy/
(6) http://imagine.gsfc.nasa.gov/docs/teachers/galaxies/imagine/dark_matter.html
(7) El Projecte MACHO http://wwwmacho.anu.edu.au/

Audio de la xerrada.

Emissió de Ràdio Banyoles, dins del programa d’Astrobanyoles
Sopa d’estrelles” del 30 de maig de 2013.

Aquesta entrada ha esta publicada en cosmologia. Afegeix a les adreces d'interès l'enllaç permanent.

Deixa un comentari