El lado oscuro del Universo

Por Pablo García Abia (*)

No pasarán muchos años hasta que sepamos qué es realmente la materia oscura.

Joven Ahlam -le dijo el maestro-, nada de lo que ves en el Universo es lo que parece. No son molinos de tierra y piedra, sino gigantes cuánticos de música celestial

El Maestro Kenobi apenas tenía una parte de razón cuando, en su modesta morada de Tatooine, explicaba a su joven aprendiz que una fuerza misteriosa mantenía unido todo el universo. Simple y seductora, como la magia embaucadora de las ferias, esta explicación no era capaz de arañar la infinita belleza de los oscuros mecanismos que mueven el cosmos.

Mucho más arriesgado fue Heráclito, El Oscuro de Éfeso, quien, 500 años antes del advenimiento del Gran Jedi judeocristiano, afirmó que la guerra, al tiempo armonía y contienda, era la madre de todas las cosas. ¿O quizá dijo padre? En todo no podía tener razón el jónico. Por mi atrevimiento, me disculpo.

Odio. Luz. Oscuridad. Amor. Euforia. Calor. Frío. Depresión. Son todas las fuerzas las que, en una lucha incesante por reafirmar su identidad, mantienen el Universo unido. Aunque sería más acertado decir en movimiento. Una danza cósmica, perfectamente orquestada, coreografiada. La luz baila con las ondas gravitacionales. Hordas de protones dibujan auroras boreales, y te las regalan. Estrellas de neutrones desbocadas paren pepitas de oro, plata y platino, en una pirueta suicida y prometeica.

Con la sosegada excitación que concede encontrarse, mente desnuda, frente a la puerta del conocimiento, es el momento de compartir contigo mi primer secreto. Sobre cómo extraer la belleza de toda esta poesía, versa la ciencia.

Una estrella. Símbolo universal de poder, fuerza, inmortalidad. Ella. Sola entre millones de estrellas. Sencilla. Humilde. En su interior lleva el dolor de todas las madres. Y la fuerza. Toda la fuerza. El peso de la responsabilidad de lo que lleva dentro, presión insoportable y duradera, se debe al campo gravitatorio.

- Ya estamos, ¿y qué es un campo?

- Me preguntas con rabia. Como si los físicos lo supiéramos. No te enfades. Obi-Wan tenía parte de razón, el campo lo inunda todo. Inunda, permea, whatever (algo así como lo que tú quieras). Pero no hay un campo. Hay muchos, ya iremos viendo. Pero no te enojes. De verdad, es bonito. Sí. Muy bonito.

Como te decía, el campo gravitatorio aplasta a la estrella. La comprime hasta el punto de exterminarla, de convertirla en un agujero. Un agujero sin luz, oscuro, negro. El campo es enorme porque la masa de la estrella, como el amor de la madre, es enorme. Más amor, más masa, más presión. 

- ¡Pero las estrellas brillan, lo puedo ver!

- Me interrumpes con ira. No te irrites. Sí, brillan. Porque en su interior la estrella tiene otra fuerza imbatible, la fuerza de la vida. 

- ¿Más campos, verdad?

- Sí, campos de vida.

La masa de las estrellas no es como la del pan. Está hecha de pequeñas notas musicales, literalmente. Unas notas se quieren más que otras. Algunas hasta se aman. Las de más allá se ignoran y las hay que hasta se odian. Esto es así porque las notas primordiales tienen su personalidad. Los físicos llamamos a las notas partículas y a sus manías cargas. Y, ahora sí, estas cargas son la esencia de los campos cuánticos (cuánticos, porque las notas van de una en una, tienen su rollo de ego). Estos campos son los gigantes de Don Miguel, que algunos necios tomaron por molinos.

Continúo. La vida de la estrella emerge de las interacciones (en el sentido, tú me caes bien, tú mal) entre las partículas. Por ejemplo, el protón (que es la nota musical que le queda al hidrógeno cuando le robas su electrón, otra nota musical) tiene una querencia -relativa, no vayas a creer- por pegarse a su primo, el neutrón. Para no perdernos vamos a inventarnos nombres para llamar a los grupos de notas musicales. Al protón y su primo les llamamos Deuterio. Otro nombre chulo es Olegario, pero como deuterio suena a dúo, nos quedamos con este. Si al deuterio le viene otro primo, digo neutrón, tenemos... ¡tritio! Los tríos nunca funcionan muy bien, por lo que el tritio tiende a disociarse. Pero, y aquí viene otro de esos secretos poéticos de la ciencia, si antes de que eso ocurra se encuentra con un deuterio, los dos forman una familia estable con dos protones y dos neutrones. A esta familia la llamamos Helio. Podríamos haberla llamado familia Skywalker, pero como el helio se produce en el Sol, nos quedamos con este nombre (algo que tiene mucho sentido en la lengua de Heráclito).

- Sobra un neutrón, maestro.

- Oh sí, ya, sobra uno. Un neutrón y mucha energía. Esta energía es la luz. Una luz que, con no poco esfuerzo, consigue atravesar la frenética danza cuántica de protones, neutrones, electrones y neutrinos (otras notas musicales, pero estas, esquivas) y, mucho tiempo después, abandonar la estrella para poder producir preciosas puestas de Sol y hacer que lloremos cuando estamos solas o enamoradas (que viene a ser lo mismo). 

- ¿Es esa luz la que hace que no muera la estrella?

- ¡Aprendiz lista! Esa luz, o dicho en pedante, la presión de la radiación, contrarresta el peso de la estrella. Del amor y del odio de los campos cuánticos, sale la fuerza para mantener la estrella en equilibrio.

Una estrella es un objeto complejo. Podría decir que, a pesar de la cantidad ingente de ellas (unas cien mil millones solo en nuestra galaxia), no es muy natural que estas se formen. Para que nazca una estrella tenemos que reunir en la misma fiesta, en un local bastante reducido, un número escandaloso de átomos de hidrógeno (una familia estable con un protón y un electrón bailando juntos). Este número, me da vergüenza decirlo, es unos mil nonillones (1000 000000 000000 000000 000000 000000 000000 000000 000000 000000 o 1057). ¿De dónde vienen todas estas notas musicales (o partículas) y por qué se reúnen en determinados sitios? Para entender esto tenemos que hablar de algo tan misterioso como los campos cuánticos: el lado oscuro del Universo. 

Nada de lo que ves en el Universo es lo que parece. Esto ya lo he dicho. Lo singular es que el propio Universo no ha sido siempre como lo ves ahora. El Universo se expande de forma acelerada, hoy más rápido que ayer, más despacio que mañana. 

- La galaxia de Andrómeda se va a chocar con la nuestra, dices con cara de superioridad. 

- Así es, pero hablo del Universo a gran escala, no a la escala de nuestro jardín cósmico, sino a distancias de miles, millones de galaxias. Las galaxias remotas se alejan unas de otras, todas de todas. 

- ¡Eso no es posible!, interrumpes.

- No te enfades. Es difícil de entender, pero no imposible que ocurra. Es lógico que te cueste un poco al principio, nos han enseñado a creer cosas inverosímiles sin hacer el esfuerzo de entenderlas, como que el Universo tiene seis mil años de vida. Comprender que, en realidad, la vida del Universo empezó hace 13800 millones de años no suele ser inmediato. Las galaxias no se alejan unas de otras porque viajen en direcciones opuestas a las demás. En efecto, eso sería imposible. Lo que ocurre es que el espacio que hay entre ellas, eso que solemos llamar espacio vacío, no es tan vacío y puede aumentar o disminuir de tamaño. Esto no es caprichoso, el ritmo de crecimiento está dictado de forma muy precisa por la cantidad de partículas (notas musicales) y energía (luz y otras cosas) que contiene. 

- ¿Qué cosas?

- La energía del propio espacio vacío. Aunque parezca vacío, a decir verdad está... ¡caliente! Muy poco caliente, cierto, pero lo suficiente para aumentar de tamaño y que las galaxias, estáticas, se alejen entre sí.

El párrafo anterior hay que leerlo varias veces, sin duda. Sin duda y sin prejuicios. Porque, claro, -te preguntarás- si el Universo ha estado siempre expandiéndose, hace mucho tiempo tuvo que haber sido muy, muy, muy pequeño. Así es, tan pequeño y todo tan junto que la temperatura era enorme. Ríete del calentamiento global. Hablo de temperaturas tales que no había planetas ni estrellas, tampoco células, ni sólidos, ni líquidos. Ni siquiera átomos. Solo había partículas danzarinas, llenas de energía para ir de aquí para allá jugando y bailando con otras partículas. Algunas se aniquilaban y otras emergían, como si de una orgía cuántica se tratase. Aunque el caos parecía absoluto, había un orden detrás de todo ello. Y esta es otra píldora poética de la ciencia. Las partículas eufóricas luchaban por encontrar su espacio vital, separándose unas de otras, al tiempo que un intenso campo gravitatorio las hacía colapsar. Un guerra de fuerzas muy similar a la que da vida a las estrellas, creaba microestructuras casi 14.000 millones de años antes, en un Universo bien diferente. Estas microestructuras eran como pompas de jabón. En las fronteras de pompas adyacentes, finas películas oleosas, se apilaban las partículas. Con el dramático aumento de tamaño que sobrevino en los tiempos posteriores (recuerda que el Universo se ha estado expandiendo siempre porque el espacio ha aumentado de tamaño), esas pompas microscópicas adquirieron tamaños colosales. ¿Cómo de colosales? Del orden de cientos de millones de años luz (un año luz es la distancia que viaja la luz en un año, vamos, espeluznante). Las fronteras de las pompas, en las que ya se habían aglutinado casi la totalidad de las partículas, la densidad de estas era tal que, gracias a la atracción gravitatoria que sentían entre ellas, pudieron formar nubes de gas, que con el tiempo se condensaron dando lugar a las primeras galaxias y, con ellas, las primeras estrellas. La apabullante presión gravitatoria ejercida por las partículas fue la causante del festín cuántico, en el que protones y neutrones encontraron el entorno adecuado para encender, una vez más, el ya oscurecido Universo.

 

- ¡Espera, vas muy rápido!, recrimina el pequeño saltamontes a su maestro. 

- ¿De dónde salió esa fuerza gravitatoria que dio lugar a las burbujas primordiales?

- Esa es la fuerza del lado oscuro, joven padawan. La gravedad provino de la materia oscura. 

- ¿Materia oscura?

- Así es, ya en el Universo primigenio había un tipo de materia misteriosa, una materia que ni absorbe ni emite luz (no existe nada en el Universo tan transparente como ella), que no forma átomos ni cuerpos que se puedan observar ni tocar. Sorprende saber que su cantidad era, y sigue siendo, ingente, como cinco o seis veces mayor que la de partículas danzarinas, esas que a la postre sí formarían los átomos.

Precisamente esto caracteriza a esa materia oscura. Su imponente fuerza gravitatoria se deja percibir hoy día en todos los rincones del Universo. Hace que las estrellas orbiten en sus galaxias de una forma muy singular. Modifica las trayectorias de los rayos de luz que, desde tiempos remotos, viajan de galaxias lejanas hasta nuestros telescopios, produciendo imágenes desvirtuadas, filamentosas, como si miráramos borrachos por el culo de una botella. Y, más sorprendente, esa atracción gravitatoria ralentiza, junto con la gravedad de la materia convencional, la expansión acelerada del Universo. De hecho, gracias a todos estos efectos sabemos que esa misteriosa materia oscura existe y cuánta hay en el Universo.

- Admito que me has sorprendido, maestro. ¿Pero, QUÉ es la materia oscura?

- Es un qué en mayúsculas, de esos que ponen en jaque a la ciencia. Un qué que exige humildad. No lo sabemos. Podrían ser partículas elementales (otro tipo de nota musical) con una personalidad mucho más esquiva, una carga cuántica que les dificulta relacionarse con las demás partículas (incluida la luz) y con ellas mismas. O tal vez, grumos de energía del propio espacio, esa energía que hace que el Universo esté un poquito caliente y por eso se expanda. Estos grumos, insociables y oscuros, se llaman agujeros negros primordiales.

Como te digo, no sabemos qué es la materia oscura, pero gracias a las observaciones astrofísicas y cosmológicas (hechas con el telescopio Hubble o con Planck, pero no solo) y a los experimentos con partículas elementales (en el CERN o en el Gran Sasso, entre otros), tenemos tanta información sobre ella que estamos construyendo y operando instrumentos en la Tierra para intentar detectarla de forma directa: detectores de ondas gravitacionales (LIGO), detectores de partículas oscuras en laboratorios subterráneos (DarkSide) y otros en la Estación Espacial Internacional (AMS). No pasarán muchos años hasta que sepamos qué es realmente la materia oscura. Cómo lo vamos a hacer, requerirá otro encuentro, joven Ahlam.

 

(*) Dr. Pablo García Abia es físico de la Colaboración DarkSide. Científico Titular de la Unidad de Excelencia María de Maeztu CIEMAT-Física de Partículas.