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Una nueva teoría de la gravedad prescinde de la materia oscura

Como sabe cualquiera que haya abierto una lavadora después del centrifugado, el giro tiende a expulsar las cosas hacia fuera. En la lavadora, son las paredes del tambor las que impiden que la ropa salga volando. Pero las galaxias, que también centrifugan, no tienen tambor; ¿qué es lo que evita que las estrellas salgan volando en todas direcciones?

Lo que mantiene una galaxia unida es la gravedad, que tiende a juntar las masas unas a otras. Es lo mismo que nos mantiene pegados al suelo. El problema es que, cuando los físicos calculan la masa de una galaxia, las cuentas no salen: la gravedad es demasiado baja como para compensar la inercia que tiende a dispersarla. Como conté ayer, la solución por la que se ha optado es suponer que la masa es realmente mucho mayor de lo que se ve, pero el resto es invisible: materia oscura. A más masa, más gravedad, y así todo cuadra.

Representación hipotética de la distribución de materia oscura (nube azul) en la Vía Láctea. Imagen de ESO/L. Calçada vía Wikipedia.

Representación hipotética de la distribución de materia oscura (nube azul) en la Vía Láctea. Imagen de ESO/L. Calçada vía Wikipedia.

Pero algunos físicos piensan que tal vez no sea necesario inventar un tipo de materia de la que hasta ahora no ha podido obtenerse ninguna prueba; que quizá la inercia sea menor de lo que sospechamos, o la gravedad sea mayor. Ayer conté un ejemplo de lo primero, una hipótesis que reduce el valor de la inercia. Otras propuestas se basan en un aumento del valor de la gravedad, asegurando que al menos en ciertos casos no se comporta como sospechamos.

La propuesta más conocida en esta línea fue desarrollada por el israelí Mordehai Milgrom en 1983, y se conoce como Dinámica Newtoniana Modificada, o MOND. En breve, lo que Milgrom propone es que el valor familiar proporcionado por Newton para la gravedad no funciona en escalas extremas, cuando la aceleración es enormemente baja o la distancia al centro de la galaxia es muy grande, como ocurre en las estrellas de la periferia. En estos casos la gravedad sería mayor de lo normal, compensando la inercia que tiende a dispersar la galaxia.

Un resultado similar –una gravedad mayor– se deriva de una nueva teoría propuesta ahora por el holandés Erik Verlinde, de la Universidad de Ámsterdam. Aunque en este caso, el punto de partida es completamente distinto. Verlinde comenzó su carrera bajo la dirección de Gerard ’t Hooft, conocido sobre todo (además de por su Nobel en 1999) como el creador del llamado Principio Holográfico.

El Principio Holográfico es una audaz propuesta según la cual el universo es la proyección de un holograma contenido en una esfera que lo rodea. La idea del holograma es la misma que conocemos de las tarjetas de crédito: una superficie de dos dimensiones que contiene información sobre un objeto tridimensional. Dado que el holograma tiene una dimensión menos que el objeto al que representa, en el caso del universo se trataría de un espacio tridimensional en un área bidimensional; o si añadimos el tiempo, un universo 4D en un espacio 3D, siendo el tiempo una de estas dimensiones.

El Principio Holográfico es una aplicación cosmológica de la Teoría de Cuerdas, un modelo emergente de la física que trata de conciliar la cuántica con la relativística, hasta ahora dos mundos separados. En cuántica no existe la gravedad, el concepto fundamental de la relatividad. En la Teoría de Cuerdas, la materia no está formada por esas bolitas con las que asociamos la imagen de las partículas subatómicas, sino por hilos de una sola dimensión que vibran de diferentes maneras para originar las diferentes clases de partículas. Una de esas partículas originadas por una de las muchas vibraciones posibles es el gravitón, la responsable de la gravedad, por lo que la Teoría de Cuerdas ofrece un modelo de gravedad cuántica que trata de desbrozar el camino hacia eso que habitualmente se conoce como Teoría del Todo.

El Principio Holográfico interesa a muchos físicos porque permite correlacionar dos teorías en principio muy distintas que se diferencian en una dimensión, lo que permite abordar problemas muy complejos en un marco mucho más sencillo. En el caso que nos ocupa, la ventaja es que la gravedad aparece en el universo como consecuencia de la información contenida en ese holograma.

Sin embargo, lo que propone Verlinde es una enmienda al modelo de su maestro: que en realidad el holograma es incompleto. Imaginemos uno de esos cuadros holográficos que se venden en los bazares, y supongamos que una parte de la imagen, por ejemplo la mano de un personaje, no estuviera representada en el holograma, sino que sobresaliera del cuadro como un objeto tridimensional real. Según Verlinde, al menos una parte de la gravedad no está codificada en el holograma, sino que surge intrínsecamente como una propiedad del tejido del espacio-tiempo, del mismo modo que la temperatura aparece como consecuencia del movimiento de las partículas.

En 2010 Verlinde publicó su teoría de la Gravedad Emergente, como se ha dado en llamar. Ahora, en un nuevo estudio la aplica a los movimientos de las estrellas en las galaxias, llegando a un sorprendente resultado: esa gravedad emergente explica la fuerza habitualmente atribuida a la presencia de la materia oscura. Es decir, que la desviación de la gravedad einsteniana en el caso de las grandes escalas se compensa cuando se introduce esa porción extra de gravedad oscura. No hace falta materia extra que no se ve, sino una fuerza extra que no se había calculado.

Tal vez piensen que sustituir la materia oscura por una gravedad oscura es como elegir muerte en lugar de susto. Pero lo cierto es que se trata de encontrar el origen de un balance de fuerzas que evidentemente existe. Ante el continuado fracaso en los intentos de detección de materia oscura, algunos físicos han llegado a sugerir que esta materia se encuentra escondida en otra dimensión, siendo la gravedad la única de las fuerzas fundamentales cuyos efectos son transversales a todas las dimensiones. Y esto no solo explicaría por qué la gravedad de la que tenemos constancia es tan débil (solo tendríamos constancia de una parte de ella), sino que encajaría con el universo de 11 dimensiones propuesto por una variante unificadora de la Teoría de Cuerdas llamada Teoría M. Pero la hipótesis de Verlinde prescinde por completo de la materia oscura, y es probable que algunos defensores de la Teoría de Cuerdas respirarían aliviados con esta solución.

Aún habrá que esperar para comprobar cómo la teoría de Verlinde es recibida por la comunidad física, y qué posibles objeciones plantearán los expertos. Pero como dije ayer, están surgiendo nuevas visiones alternativas que tal vez, solo tal vez, algún día podrían hacernos recordar con una sonrisa los tiempos en que teníamos inmensos, carísimos y complejos detectores buscando un tipo de materia tan invisible como –tal vez, y solo tal vez– inexistente.

¿Y si la materia oscura fuera un cuento?

Durante más de 2.000 años, mentes brillantes de la talla de Aristóteles, Galeno, Hipócrates, Demócrito, Paracelso, Alberto Magno, Tomás de Aquino, Spencer, Erasmus Darwin o Lamarck creyeron en la herencia de caracteres adquiridos. Es decir, que un día una jirafa comenzó a estirar el cuello para alcanzar las copas de los árboles, y que cada generación sucesiva lo estiraba un poquito más, hasta llegar al larguísimo cuello que hoy tienen.

Representación teórica de la materia oscura (anillo azul) en el grupo de galaxias CL 0024+17. Imagen de NASA/ESA vía Wikipedia.

Representación teórica de la materia oscura (anillo azul) en el grupo de galaxias CL 0024+17. Imagen de NASA/ESA vía Wikipedia.

Suponiendo que esto sucedía así, había que explicar el mecanismo capaz de informar al espermatozoide y al óvulo de que el cuello se había alargado, para que la siguiente generación pudiera heredar ese estiramiento. Y Charles Darwin dio con él: las gémulas, unas partículas diminutas producidas por las distintas células del organismo que confluían en los órganos reproductores para que las semillas sexuales llevaran toda la información actualizada del cuerpo con el fin de transmitirla a los hijos. En conjunto, la teoría se conocía como pangénesis, ya que todo el organismo (“pan” en griego, como en panamericano) participaba en la herencia.

Pero no crean nada de lo anterior: naturalmente, todo esto era pura fantasía. Darwin inventó una entidad exótica, la gémula, para explicar un fenómeno. Pero es que en realidad este fenómeno no se producía tal como todas esas mentes brillantes habían creído durante un par de milenios. En general, la herencia de caracteres adquiridos durante la vida de un individuo no existe (aclaración: en realidad sí existe y se llama epigenética, pero esa es otra historia que no viene al caso en este ejemplo).

La gémula de Darwin no ha sido la única entidad ficticia inventada históricamente para explicar procesos que se entendían mal: el éter luminífero, el flogisto, las miasmas, la fuerza vital, el planeta Vulcano, los cuatro humores corporales…

Como Darwin, Einstein tampoco se libró de la invención de entidades tapa-grietas. Cuando el físico alemán supo que su modelo de la relatividad general daba lugar a un universo que acabaría gurruñándose sobre sí mismo como quien estruja el envoltorio de un polvorón (ya hay que empezar a ponerse en modo navideño), tuvo que meter en sus ecuaciones un término para evitarlo, dado que, como todo el mundo sabía, el universo era estático.

Así nació la constante cosmológica, designada por la letra griega lambda mayúscula (Λ) y que introducía una especie de anti-gravedad para evitar el estrujamiento cósmico y casar las ecuaciones con una realidad que se resistía a colaborar con la teoría.

Resultó que, poco después, el belga Georges Lemaître y el estadounidense Edwin Hubble mostraban que en realidad el universo no era estacionario, sino que se expandía, por lo que la constante cosmológica sobraba. O dicho con más finura, que Λ = 0. Pero irónicamente, en el último par de décadas esto ha cambiado al descubrirse que el universo se expande con aceleración, lo que ha obligado (otra vez) a inventar algo llamado energía oscura y distinto de cero que, curioso, ya tenía un asiento reservado en las ecuaciones de Einstein: la constante cosmológica. Claro que no puede decirse que esto fuera genialidad del alemán, sino más bien un golpe de suerte.

Pero si el universo se expande y las galaxias giran, ¿por qué no se deshilachan como el algodón de azúcar? Debe de haber algo que las recoja y las mantenga unidas, como el palo del algodón. En este caso, el palo sería una masa extra que aumentaría la gravedad encargada de cohesionar la galaxia para que no se deshaga. Y dado que no se ve ningún palo, está claro que se trata de un palo completamente invisible. Ya tenemos la entidad exótica; ahora hay que buscarle un nombre adecuado: ¿qué tal La Fuerza? No, que de estas ya hay demasiadas. ¿Qué tal materia oscura?

Hoy la mayoría de los físicos creen en la existencia de la materia oscura, porque les ofrece la mejor opción disponible para explicar cómo una fuerza tan débil como la gravedad es capaz de mantener las galaxias de una pieza. La mayoría. Pero no todos. Algunos piensan que la materia oscura es otro de esos tapa-grietas como las gémulas, el éter o el flogisto, nacidos de nuestra deficiente comprensión de la naturaleza; en este caso, de la gravedad.

Por ejemplo, algunos físicos piensan que la constante que define la gravedad no es tal constante, sino que aumenta en los bordes de las galaxias donde la aceleración es muy baja. Imaginemos que removemos un plato de sopa desde el centro: aquí los fideos se mueven más deprisa, y más lentamente en la parte del borde del plato. Según esta hipótesis, la periferia de la galaxia que se mueve más despacio estaría sometida a una mayor gravedad, lo que mantendría la cohesión, como hace el borde del plato. Otra posibilidad es que la masa de los cuerpos en movimiento disminuya cuando la aceleración es muy baja, lo que produciría el mismo efecto final, pero en este caso sin modificar la gravedad, sino la inercia.

El físico Mike McCulloch, de la Universidad de Plymouth, ha propuesto un modelo en esta línea que utiliza algo llamado efecto Unruh, del que ya hablé aquí a propósito del EmDrive, ese propulsor que no puede funcionar porque según la física común viola las leyes naturales, pero que a pesar de todo parece empeñarse en funcionar en varios experimentos independientes.

McCulloch propone un modelo modificado de la inercia, ese ímpetu misterioso que nos empuja hacia delante tras un frenazo. Para el físico, la inercia es el resultado de una extraña interacción entre una radiación producida por los cuerpos en aceleración y el tamaño del universo; cuando la aceleración disminuye, la onda de esa radiación aumenta tanto que no cabe en el universo y entonces debe saltar a un tamaño menor, lo que modifica su frecuencia, su energía y por tanto la masa del cuerpo en movimiento, ya que todas ellas están vinculadas (lo expliqué con más detalle aquí).

Cuando McCulloch aplica su hipótesis a la ley de la gravedad de Newton para el caso de los bordes de las galaxias, obtiene valores que se parecen mucho a los reales sin necesidad de introducir un factor de corrección como la materia oscura; simplemente asumiendo que el efecto Unruh modifica las masas y por tanto las aceleraciones de los objetos situados a mayor distancia del centro de la galaxia, lo que reduce su inercia y evita la dispersión. El problema es que esto requiere la existencia de esa radiación debida al efecto Unruh, algo que no ha sido demostrado y de lo que muchos dudan. Pero que de momento tampoco puede descartarse.

Mañana contaré otra nueva hipótesis que explica la acción de la gravedad en las galaxias sin necesidad de fantasmas invisibles. Y aunque de momento parece probable que la física mayoritaria seguirá aceptando la materia oscura, tal vez podríamos estar avanzando un paso más hacia la demolición de otro tótem científico imaginario.

Que la Fuerza te acompañe, en su nuevo formato que no necesita frío

Existe a nuestro alrededor algo que mantiene unido el universo, aunque no podamos verlo ni tocarlo. A los prosélitos de Star Wars esta definición les recordará a ese gran icono de la saga galáctica, la Fuerza, de no ser porque, en la segunda trilogía, George Lucas decidió masacrar impunemente el mito (este y otros) al rebajarlo a algo parecido al colesterol en sangre, lo que hace sospechar que en la próxima trilogía quizá la Fuerza podrá adquirirse como la poción mágica de Astérix, bebiendo una botellita de algo parecido al Danacol que podría anunciar en TV un pariente galáctico de Vicente del Bosque. Pero volviendo al tema: en el caso de la física real, hablamos de la materia oscura, un componente que suma en torno al 26,8% del cosmos y de cuya presencia sabemos por el efecto gravitatorio que induce en lo que sí podemos ver. La materia oscura es, por decirlo llanamente, una especie de apaño cosmológico, un parche que mantiene turgente el globo de la astrofísica.

Sobre la naturaleza de esta materia enmascarada, como sucede con los superhéroes, se han propuesto varias identidades. Parece probable que no se trata de materia ordinaria, la que los físicos denominan bariónica; es decir, átomos, como los que forman todo lo que vemos en nuestra realidad cotidiana. La partícula candidata parece reunir al menos tres características: no emitir ni absorber luz, no tener carga eléctrica, y relacionarse con otras partículas solo por fuerza gravitatoria y, si acaso, por una fuerza nuclear llamada débil.

Por otra parte, los físicos especulan si la materia oscura es caliente, templada o fría, o alguna combinación de ellas. En términos sencillos, se diferencian en la velocidad inicial de sus partículas en el universo: a más grandes, más lentas. El principal candidato de la materia oscura caliente es el neutrino, una partícula muy pequeña, mientras que para la fría se ha propuesto una partícula todavía hipotética llamada Partícula Masiva de Interacción Débil, o WIMP por sus siglas en inglés. La materia oscura fría es la que recibe más atención por parte de los físicos, ya que se considera que los neutrinos, candidatos de la materia oscura caliente, con una masa menor de 1 electronvoltio (eV), son demasiado pequeños como para formar estructuras densas que presten al universo la cohesión que observamos.

Impresión artística de la esperada distribución de la materia oscura (coloreada en azul) alrededor de la Vía Láctea (en el centro). ESO/L. Calçada.

Impresión artística de la esperada distribución de la materia oscura (coloreada en azul) alrededor de la Vía Láctea (en el centro). ESO/L. Calçada.

Uno de los candidatos que se ha venido barajando como posible constituyente de la materia oscura es una partícula hipotética conocida como neutrino estéril. Se trataría de una partícula que carece de interacción por fuerza nuclear débil, por lo que solo se relaciona con sus semejantes a través de la gravedad. Los neutrinos estériles, más grandes que los normales, podrían solucionar los problemas de la materia oscura caliente ofreciendo la tercera posibilidad: materia oscura templada. Es decir, partículas medianamente masivas y medianamente rápidas. El problema es que, de acuerdo a sus características, los neutrinos estériles deberían desintegrarse produciendo una señal de rayos X que hasta ahora no se había observado.

En febrero de este año, los telescopios espaciales Chandra de la NASA y XMM-Newton de la Agencia Europea del Espacio (ESA) detectaron señales de rayos X sin identificar, procedentes, entre otros, de la galaxia de Andrómeda y del cúmulo de Perseo, y que encajan con la desintegración de un neutrino estéril con una masa de 7.000 eV, o 7 keV, según el físico de la Universidad de California en Irvine (EE. UU.) Kevork Abazajian. “Ahora hay una señal de rayos X consistente con materia oscura de neutrinos estériles que mis colegas y yo ya pronosticamos que podría estar ahí en 2001“, expone el científico a Ciencias Mixtas.

Las predicciones de neutrinos estériles hasta ahora se habían topado con piedras en el camino, como una temperatura aún no lo suficientemente fría (es decir, una masa demasiado pequeña) para explicar la cohesión de las galaxias y cúmulos. Sin embargo, Abazajian cree haber superado este obstáculo, proponiendo para los neutrinos estériles un mecanismo de formación, endemoniadamente llamado Efecto Mikheyev-Smirnov-Wolfenstein (MSW), que en términos simples modifica la oscilación de los neutrinos, haciéndolos comportarse como si su masa fuera mayor. En estas condiciones, el modelo matemático empleado por Abazajian hace cuadrar algunos problemas pendientes en la formación de las galaxias que no terminan de encajar en el modelo de materia oscura fría, como “la densidad central de las galaxias satélites del Grupo Local de galaxias”, al que pertenece nuestra querida Vía Láctea.

La galaxia de Andrómeda en dos imágenes combinadas de infrarrojo (en naranja), tomada por el telescopio espacial Herschel, y en rayos X (en azul), tomada por el telescopio espacial XMM-Newton. ESA/Herschel/PACS/SPIRE/J. Fritz, U. Gent; X-ray: ESA/XMM Newton/EPIC/W. Pietsch, MPE.

La galaxia de Andrómeda en dos imágenes combinadas de infrarrojo (en naranja), tomada por el telescopio espacial Herschel, y en rayos X (en azul), tomada por el telescopio espacial XMM-Newton. ESA/Herschel/PACS/SPIRE/J. Fritz, U. Gent; X-ray: ESA/XMM Newton/EPIC/W. Pietsch, MPE.

“El objetivo del estudio era comprobar qué tipo de materia oscura es consistente con la señal de rayos X detectada. Es decir, si la materia oscura generada por resonancia [el Efecto MSW] es relativamente caliente, templada o fría. Mis resultados muestran que la señal está exactamente donde el mecanismo de producción resonante impone un tope en la formación de galaxias precisamente en el punto preferido por las observaciones y teorías de formación de galaxias”, explica Abazajian.

Con todo, el físico no cree que su estudio, publicado en la revista Physical Review Letters, dé el asunto por zanjado. “No creo que haya pruebas de la existencia de los neutrinos estériles, ni que la ciencia pruebe nada. Es un proceso de acumulación de indicios a favor o en contra de un modelo. Hay indicios significativos de una señal que podría proceder de materia oscura de neutrinos estériles, y es interesante que los parámetros proporcionen las propiedades adecuadas para la formación de galaxias”.

Abazajian piensa que “la discusión estaría resuelta en su mayoría” cuando se obtengan indicios adicionales, alguno de los cuales, opina, llegará “posiblemente el próximo año”. Entre ellos, el físico menciona la comprobación de “su presencia en varios tipos distintos de objetos de materia oscura en el cielo (galaxias enanas, galaxias de campo [aisladas], cúmulos…)”, o una determinación precisa de si los datos cuadran con el perfil de densidad de la materia oscura. Sin embargo, el investigador es optimista y piensa que sus resultados se confirmarán: “Si se verifica que la señal de rayos X es materia oscura, mis cálculos se convertirán en la base para entender cómo esta materia oscura afecta a la formación de galaxias en el modelo cosmológico estándar”.

¿Qué ocurrirá entonces cuando George Lucas escuche que la materia oscura no necesita frío? Quizá a partir de ahora los jedis puedan encontrar sus botellitas de la Fuerza, que se conservan fuera del frigorífico, en los lineales de leche del súper.