Astrónomos estadounidenses han utilizado un abanico de telescopios (el Chandra de rayos X, el telescopio espacial Hubble, el Very Large Telescope del Observatorio Europeo Austral y el telescopio Magallanes) para observar la colisión ocurrida hace 150 millones de años entre dos cúmulos de galaxias situadas a 4.000 millones de años luz de distancia, en la constelación de Carina. La colisiones de galaxias son frecuentes. Más extraño son las colisiones de cúmulos de galaxias. En este caso, debido a la violencia de la colisión, parece que la materia oscura se ha separado de la materia normal. Para entender mejor esta noticia, veamos qué es la materia oscura.

La gravedad

La Ley de la Gravitación Universal que descubrió Isaac Newton nos dice que la gravedad es más fuerte cuanto más cerca estemos de un planeta o de una estrella. Si en la superficie de la Tierra pesamos 70 kg, a una altura de 500 km por encima de nuestra cabeza pesaríamos 60 kg. Si ascendiéramos a una altura de 1.200 km, pesaríamos 50 kg. Y si pudiéramos subir a una altura de 2.000 km pesaríamos sólo 40 kg.

Lo mismo ocurre con nuestra estrella más cercana: el Sol. Cuanto más cerca esté un planeta del Sol, tanto más fuerte es su fuerza de gravedad. Mercurio, el planeta más cercano al Sol, sufre una fuerza de atracción del Sol mucho mayor que nuestro planeta, La Tierra, que está más alejado del Sol. Marte, Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno están sometidos a una atracción cada vez menor del Sol. Por eso, Mercurio debe girar muy rápido en su órbita, para generar una gran fuerza centrífuga capaz de contrarrestar la gran fuerza de gravedad del Sol. Nuestro planeta Tierra, puede caminar más despacio alrededor del Sol. Y los planetas alejados como Urano y Neptuno giran muy despacio alrededor del Sol para mantenerse en su órbita. Es decir, cuanto más lejos está un planeta, más lento gira alrededor del Sol.

El misterio de la rotación de las galaxias

Las galaxias, son objetos enormes, remolinos de miles de millones de estrellas como nuestro Sol, que están muy lejos. Todas las estrellas que vemos por la noche son estrellas de la galaxia en la que estamos nosotros: la Vía Láctea.

Con los telescopios actuales se pueden llegar a ver estrellas individuales situadas en galaxias enormes y lejanas. La Ley de la Gravitación de Newton también se cumple para las estrellas que forman las galaxias. Por eso, las estrellas que forman las galaxias giran alrededor de su centro para contrarrestar la gravedad. Y al igual que pasa con los planetas de nuestro sistema solar, las estrellas cerca del centro de la galaxia giran muy rápido, y las estrellas más alejadas giran más despacio.

Con una técnica llamada espectrografía, podemos saber de forma muy precisa a que velocidad giran las estrellas de una galaxia. Y aquí es donde apareció un misterio. Las estrellas alejadas giran tan rápido como las estrellas cercanas al centro ¡Cuando tenían que girar mucho más lento! Aunque puede haber varias explicaciones para este fenómeno, la más aceptada es que en la galaxia tiene que haber más materia, más masa, de la que se puede estimar viendo sólo las estrellas que la forman. Por mucho que se tenga en cuenta toda la materia en forma de planetas, asteroides, cometas y nubes de gas, sigue faltando masa. En las galaxias tiene haber algún tipo de materia que produce gravedad, pero que no vemos, a ese tipo de materia le llamamos materia oscura.

Curva de rotación típica de una galaxia espiral. Se muestra en rojo la velocidad en km/s medida en función de la distancia al centro (R) en kiloparsecs (1 kpc equivale a 3262 años luz). En azul se esquematiza la velocidad calculada debido a la acción gravitatoria de la masa visible. Es evidente que al aumentar la distancia al centro de la galaxia, la velocidad debería disminuir, pero en cambio permanece casi constante. Esto se explica con la presencia de una gran masa en un halo de materia oscura.

El misterio de los cúmulos de galaxias

Al igual que las estrellas del universo están agrupadas en remolinos de miles de millones de estrellas llamados galaxias, estas también se agrupan formando los llamados cúmulos de galaxias. La diferencia, es que los cúmulos de galaxias están formados sólo por unas decenas de galaxias. Lo interesante es que las galaxias giran alrededor del centro del cúmulo de galaxias y también deberían cumplir la Ley de la Gravitación Universal. Es decir, las galaxias más cercanas al centro del cúmulo, deben girar más rápido que las galaxias alejadas del centro del cúmulo. Y ¡Sorpresa!, al medir sus velocidades por espectrografía, vemos que no es así. De nuevo la explicación más razonable es pensar que en el cúmulo hay masa o materia que no es visible, pero que se detecta por que produce gravedad.

Las lentes gravitacionales

Esta es otra prueba de la existencia de materia oscura. En muchos cúmulos se observa el efecto de lente gravitacional. Este efecto consiste en que la luz procedente de las galaxias detrás de los cúmulos, al pasar cerca de éstos, se desvía ligeramente como hace una lente. Este efecto fue predicho por la Teoría General de la Relatividad de Einstein y confirmado con nuestras estrellas durante los eclipses de sol. Es un método que permite estimar la masa del cúmulo por efecto relativista, y por tanto independiente de la ley de la gravitación universal de Newton. Cuando se calcula la masa de estos cúmulos, se descubre que es mucho mayor de la masa que se puede estimar por la materia visible. Una vez más, debe haber algún tipo de materia no visible que explique la masa que falta.

Explicación gráfica de una lente gravitacional. Una única galaxia detrás del cúmulo puede verse (en forma de arcos) en varios sitios alrededor del cúmulo.

Fotografía astronómica obtenida por el Telescopio Espacial Hubble. Los arcos observados son galaxias que están detrás del cúmulo.

La enigmática y exótica materia oscura

La rotación de las galaxias, los cúmulos de galaxias y las lentes gravitacionales son las pruebas que tenemos de que tiene que haber algún tipo de materia que produce gravedad como la materia normal. Pero esta materia debe ser de una sustancia desconocida, pues no se muestra ni interactúa como la materia normal. No la podemos detectar, sólo la deducimos por sus efectos gravitatorios. No parece que esté en forma de estrellas, agujeros negros o enanas marrones pues lo veríamos con los telescopios. Por tanto, no parece que esta sustancia desconocida emita ni refleje luz o calor. Por mucho que sobrestimemos el número de planetas, asteroides o cometas, sigue faltando masa. No debe estar en forma de nubes de gas pues se detectaría con espectroscopia o en otras longitudes de onda. Por tanto no absorbe luz. Parece pues, descartarse que esta masa esté constituida por materia ordinaria, es decir, no está formada por las partículas bariónicas: neutrones y protones. ¿Puede estar en forma de otras partículas elementales?. Lo único que si sabemos es el nombre que le hemos puesto: materia oscura.

Pero ¿cuánta materia oscura hay?

Es curioso, no tenemos ni idea de qué está hecha o cómo está formada esa materia oscura, pero si sabemos cuánta tiene que haber. La razón es fácil: la materia oscura debe ser la suficiente para explicar las anomalías gravitatorias en las rotaciones de galaxias, en los cúmulos de galaxias y las lentes gravitacionales. Esta cantidad se puede determinar bastante bien. Aunque su resultado es asombroso. Por cada kg de materia normal o bariónica debe haber 5 kg de materia oscura- De los efectos gravitatorios que observamos en el giro de las estrellas en las galaxias, en el giro de las galaxias en los cúmulos o en las lentes gravitacionales, sólo podemos explicar un 20% con la materia convencional. El 80 % del efecto gravitatorio debe corresponder a la exótica materia oscura.

La colisión de cúmulos de galaxias

En los cúmulos de galaxias, la masa del gas intergaláctico es unas 10 veces mayor que la masa de las estrellas. Si los cúmulos de galaxias estuvieran formados sólo por materia convencional (bariónica), la posición de la materia deducida por efectos gravitatorios coincidiría con la posición del gas interestelar, pues el gas interestelar reúne la mayor parte de la masa del cúmulo. Pero eso no es lo que detectaron los astrónomos Doug Clowe (Universidad de Arizona) y Maxim Markevitch (Chandra) en el Cúmulo de la Bala.

Por un lado, obtuvieron imágenes visibles de los cúmulos, lo que les indicaba la distribución de estrellas, y también obtuvieron imágenes en rayos X, lo que les indicaba la distribución del gas caliente interestelar (Manchas de color rojo en la imagen de cabecera). De esta forma conseguían la distribución completa de materia ordinaria.

Por otro lado, este equipo estimó la distribución y la masa total de los cúmulos por el efecto de lente gravitacional. De esta forma consiguieron conocer la distribución de la masa total (conjunta de materia ordinaria y oscura) en los cúmulos. Recordemos que tanto la masa ordinaria como la oscura producen efectos gravitatorios.

La distribución de masa obtenida por la lente gravitatoria mostraba cuatro agrupaciones de materia en la colisión de los cúmulos. Dos grupos de materia coincidían con el gas interestelar, es decir eran grupos de materia ordinaria (Manchas de color rojo en la imagen de cabecera). Por lo que los otros dos grupos tenían que ser de materia oscura (Manchas de color azul en la imagen de cabecera).

La dinámica del choque de cúmulos

Los cúmulos se cruzaron hace 150 millones de años a una velocidad altísima, de unos 16 millones de km por hora. Las estrellas pasaron unas a través de otras sin especial interacción. Pero el gas intergaláctico de un cúmulo interaccionó con el gas intergaláctico del otro cúmulo, frenándose y calentándose ambos. Después de la colisión, los dos grupos de materia intergaláctica, debido al frenado, se han quedado rezagados (manchas rojas). Estos han sido los dos grupos de materia ordinaria observados. Recordemos que la mayor parte de la masa de un cúmulo de galaxias está formada por gas intergaláctico.

Pero en la colisión de los cúmulos, la materia oscura no ha interaccionado, continuando adelante durante la colisión. Estos son los otros dos grupos, los de materia oscura, que están adelantados (y más separados) por no haberles frenados la colisión (manchas azules).

Esta colisión ha permitido separar cada cúmulo en dos componentes: la materia oscura, adelante (en manchas azules) y la materia ordinaria, atrás (en manchas rojas), siendo la primera vez que se observa.

Esto parece confirmar la existencia real de la materia oscura y puede ser el primer paso para desentrañar el misterio de su origen y naturaleza.

Más información

• La NASA encuentra pruebas directas de la materia oscura, nota de prensa del Observatorio de rayos X Chandra (en inglés).
• Imágenes y animaciones del Cúmulo de la Bala, Observatorio de rayos X Chandra (en inglés).
• La materia oscura existe, Cosmic Variance (en inglés).

Materia oscura