Matèria fosca
Col·laboració de Maia Raigorodsky per al capítol Visions de ciència
Al llarg dels anys hem anat desenvolupant tècniques que ens han permès apropar-nos a allò visible, no obstant també hem aconseguit aproximar-nos a allò invisible. La pregunta és, com hem aconseguit descobrir una matèria que no hem vist mai sense tenir cap dubte de la seva existència? Això és el que tradicionalment s’anomena matèria fosca que no és ni més ni menys que tota aquella matèria, composició de la qual desconeixem i que no emet o reflecteix suficient radiació electromagnètica com perquè la podem observar amb la tecnologia existent. No obstant, podem entendre que està present pels efectes gravitacionals que causa en la matèria visible. Com veurem posteriorment, la matèria fosca és fonamental perquè les galàxies mantinguin les seves estructures de manera estable.
Es va començar a parlar del misteri de la matèria fosca l’any 1933, amb els estudis del búlgar Fritz Zwicky. Aquests estudis partien de la base que les galàxies s’agrupen en un cúmul (entenent cúmul com a grup d’estrelles que s’atrauen entre sí per la seva gravetat mútua; hi ha dos tipus de cúmuls estelars: els globulars i els oberts o galàctics). Per tal que aquesta galàxia quedi agrupada i es mantingui en aquesta formació cal molta força d’atracció gravitacional que es produeix per una gran quantitat de massa. D’aquesta massa requerida s’observa visiblement molt menys de la que hi hauria d’haver. On es troba, doncs, la massa que hi falta? Aquestes preguntes i reflexions van desencadenar l’enigma de la matèria fosca i no es va reprendre fins 40 anys més tard amb estudis posteriors liderats per Vera Rubin i Kent Ford a Washington. Van veure que la velocitat de rotació de les galàxies espirals és la mateixa a prop del nucli que a les vores exteriors, i que es movien com discos rígids en comptes de fer-ho com el Sistema Solar on allò més proper al centre de la massa solar orbita més ràpid que els planetes llunyans i que explica la tercera llei de Kepler. L’única explicació possible per aquest fenomen és assumir que existeix més de matèria que no es pot veure.
Des de llavors, ja no hi ha hagut dubte de l’existència de la matèria fosca i ja és una teoria àmpliament acceptada. Ara per ara, si sumem tot allò que els astrònoms arriben a veure a través dels seus telescopis, entre planetes, estrelles i galàxies és un 4% de la massa total de l’univers. La matèria fosca és un 23% de la massa total. Tota la resta és el 73% de l’Univers, i està constituït per l’energia fosca (relacionada amb l’expansió de l’Univers. No s’ha de confondre amb la matèria fosca).
Però un cop assegurats que realment existeix una matèria que no veiem, el següent pas és conèixer la seva naturalesa i poder-la “veure”. Com hem progressat per aquesta via? La teoria general de la relativitat d’Einstein deia que la llum d’un objecte llunyà es corbaria per la gravetat al passar al voltant d’objectes molt massius, com ara un cúmul de galàxies o una concentració de matèria fosca. La deformació de la llum és la coneguda con a lent gravitacional i produeix imatges distorsionades, i ha estat gràcies a la mesura de la distorsió de la llum de vàries galàxies i a l’anàlisi de les imatges deformades, com els astrònoms han pogut veure la presència, la quantitat i la distribució de matèria fosca. Molt recentment, s’han publicat diversos articles amb títols com “Primeres imatges de la matèria fosca”, on parlen d’un equip internacional d’astrònoms (del Japó, Gran Bretanya i Taiwan) liderats per Masamune Oguri i Masahiro Takada, que han utilitzat aquestes lents gravitacionals per intentar esbrinar com es distribueix la matèria fosca al voltant de les galàxies i veure si es correspon amb els models teòrics, a través del telescopi Subaru. Analitzant l’efecte de lent gravitacional en les imatges obtingudes s’ha comprovat que la matèria fosca que rodeja les vint agrupacions galàctiques estudiades, es distribueix al voltant d’aquestes en forma d’halos de manera irregular, amb un contorn pla i allargat, i no pas esfèric, cosa que encaixa amb la teoria de la matèria fosca freda formulada als anys 80.
La teoria de la matèria fosca freda intentava explicar la formació de l’estructura còsmica i la seva evolució després del Big Bang. En aquella dècada hi havia un munt de debats, els quals encara es mantenen. Quin era l’ordre? Primer cúmuls i després galàxies? O primer galàxies i després cúmuls? La teoria de la matèria fosca freda deia que les partícules d’aquesta matèria es movien molt lentament i que per això es podien condensar en grans grups, de la mida de les galàxies. La teoria oposada, de la matèria fosca calenta deia que les partícules es movien molt ràpidament i eren massa energètiques per condensar-se en galàxies, només eren condensables en estructures molt més grans. Totes dues teories van ser simulades per ordinadors, i totes dues tenien viabilitat però quina era la correcta? Ara sembla que ens estem acostant més a la resposta i tot gràcies als càlculs i a la visualització d’imatges que ens proporcionen diverses fonts com ara l’anomenat telescopi Subaru o bé el famós Hubble, GLAST o l’XMM-Newton, entre d’altres.
La recerca de l’estructura còsmica està actualment treballant-se, paral·lelament als estudis d’Oguri i Takada, amb un altre equip internacional d’investigadors dirigits per l’astrònom Fabio Governato a Washington. Aquest equip està desenvolupant una simulació de la formació de galàxies amb supercomputadores, basant-se en els últims descobriments i que tot plegat ajuda a comprendre el procés molt millor degut a la seva component dinàmica i visual immediata. A més, posa la informació a l’abast de les persones que no es dediquen a la ciència d’una manera molt més entenedora que si fos a través de la presentació dels càlculs matemàtics.
Com veiem encara queden un munt de preguntes per respondre, molt coneixement per descobrir, moltes imatges per veure i analitzar, molts càlculs per fer i moltes simulacions per generar i interpretar que ens intenten donar una idea més realista d’allò que els físics han de buscar a escala còsmica. Per tant podem dir que tot i que cada cop menys, encara seguim perduts i cecs dins el nostre Univers.
Col·laboració de Maia Raigorodsky per al capítol Visions de ciència