25/03/2020

Dossier Cosmologia 3: Origen de la matèria fosca o la manca de massa

No, la Terra no és el centre de l’Univers. El Sol tampoc. El nostre planeta, la nostra galàxia són uns anònims perduts en la immensitat del cosmos. Descobriu aquí algunes nocions de cosmologia que us permetran comprendre millor quin és el nostre lloc a l’Univers.

Un dels descobriments més importants de l’astrofísica contemporània, per les seves conseqüències fonamentals en la cosmologia i la física de partícules, va ser la demostració que existia un tipus de matèria, diferent de la "matèria ordinària" que coneixem, i que jugava un paper essencial en el cosmos. Es tracta de la "matèria fosca".

La matèria fosca, és va batejar així perquè no emet radiacions electromagnètiques, i només es detecta pels seus efectes gravitacionals.

Clic per engrandir. La part visible de les galàxies seria només una minúscula part
immersa en un gran halo de matèria fosca? Aquí, la galàxia M51, una galàxia espiral
clàssica situada a la constel·lació dels llebrers, acompanyada de NGC 5195. © NASA i ESA, DP

Zwicky i la matèria fosca o la falta de massa

La idea de la matèria fosca (parlem aleshores de massa desapareguda o massa oculta) va esclatar amb l'obra de l'astrònom suís Zwicky a la dècada de 1930. Aquest últim, estudiant la dinàmica de les galàxies situades dins del cúmul de galàxies Coma, a la constel·lació de la Cabellera de Berenice, volia entendre per què les velocitats de les galàxies d’aquest cúmul tenien valors molt elevats (tornarem a aquesta qüestió més endavant). 

De fet, aquesta qüestió de la matèria fosca com a component de l’Univers ha crescut considerablement en les últimes dècades. Ara podem evocar tres grans qüestions d’astrofísica, encara no resoltes satisfactòriament, per les quals l’existència d’aquesta matèria fosca seria una resposta comuna coherent:

- la primera pregunta tracta de galàxies espirals i la seva rotació;
- la segona es refereix a la velocitat de les galàxies i la presència d'arcs gravitacionals dins dels cúmuls de galàxies;
- la tercera fa referència al fabulós destí de les galàxies, el seu origen i la seva evolució.

El centre del cúmul de la galàxia Coma es troba a la constel·lació de la Cabellera
de Berenice, a una distància de 100 megaparsecs (Mpc). Va ser determinant la massa
d'aquest cúmul amb les mesures de la velocitat d'algunes galàxies que Zwicky va prendre
consciència del problema de la "massa que falta". © Imatge CFHT

La velocitat de gir de les galàxies es mesura mitjançant l'efecte Doppler

Examinem primer el cas de les galàxies espirals de les quals farem servir una propietat important: el fet que estiguin animades per un moviment de rotació sobre elles mateixes. Aquesta propietat es coneix a través d’un efecte físic que es troba habitualment a la vida ordinària: l’efecte Doppler.

Dues galàxies espirals observades a l’espectre visible, una des de la part frontal
(esquerra), l’altra pel lateral (dreta). Observem un bulb central amb una alta densitat
d’estrelles envoltat d’un disc prim format de braços en espiral. © Imatges CFHT

Sovint es pren com a exemple la situació següent per explicar l'efecte Doppler: imagineu-vos un observador immòbil a la vora d'una via de tren. Constata que el so produït per un tren canvia de to quan s’acosta i s’allunya d’ell. El so, primer agut fins que el tren passa per davant de l'observador, després es torna més greu tan bon punt el tren ha passat.

En termes físics, l'efecte Doppler és una modificació de la freqüència (o de forma equivalent de la longitud d'ona) de l'ona (de so o un altre) emesa per un objecte en moviment (com el tren). La propietat important de l'efecte Doppler és que la variació en la freqüència (o la longitud d'ona) condueix a la mesura directa de la velocitat de l'objecte en relació amb l'observador.

Si les galàxies no emeten una ona sonora, emeten una radiació lumínica que no és altra que una ona (electromagnètica), per tant també sotmesa a l'efecte Doppler. És gràcies a aquest efecte que, observant la llum emesa per les galàxies, detectem i mesurem la seva velocitat de rotació sobre elles mateixes (vegeu la imatge a sota).

Quan la galàxia espiral gira sobre si mateixa, la radiació enviada per la part que va
cap a l'observador que es troba a la part inferior de la figura es desplaça cap al blau (bleu).
Aquesta radiació es desplaça cap al vermell (rouge) per la part que s’allunya d’ella. © DR

Una galàxia espiral sembla, com a primera aproximació, ser similar a un sistema solar, les estrelles del disc girant al voltant de la bombolla central de l’espiral, tal com els planetes giren al voltant del Sol (vegeu la imatge a sota).

Els planetes giren al voltant del Sol, que representa la major part de la massa del Sistema Solar. © DR

Si aquesta analogia és vàlida, segons l’astrònom J. Kepler basant-se en la llei de la gravitació establerta per Newton, hauríem d’esperar una disminució de la velocitat a mesura que augmenta la distància al centre (aquesta és l’anomenada llei de la "decadència Kepleriana"), tal com ho observem amb la velocitat dels planetes al nostre Sistema Solar.

Velocitat dels diferents planetes del Sistema Solar en funció de la seva distància amb el Sol.
Aquesta velocitat disminueix amb la distància, aquest fet és conegut com la
"disminució kepleriana". © DR

Tanmateix, el que observem en realitat és una corba plana (vegeu el gràfic següent).

 
Els punts de la part superior (amb les barres d’error de mesura) representen la velocitat
mesurada en funció de la distància fins al centre de la galàxia i donen la corba de
rotació observada. La corba de punts és la corba de rotació prevista per la contribució
en massa de les estrelles a la galàxia. La corba de guions aporta la contribució d'un halo
esfèric de matèria fosca. La corba contínua (a dalt) té en compte el conjunt de totes les
aportacions i està d’acord amb les observacions. © DR

Les galàxies estan fetes de matèria fosca?

Aquesta contradicció continua sent un dels enigmes més irritants de l’astrofísica moderna. Entre les explicacions més plausibles, com ara, per exemple, que les lleis de la gravitació es poden modificar en aquestes escales (la gravitació és objecte de verificacions experimentals permanents. La llei de Newton actualment està ben verificada en escales que van des de 0,1 mm a 1016 m), la hipòtesi adoptada suposa que la part visible de les galàxies és només una part reduïda immersa en un gran halo de matèria fosca, matèria fosca de la que l’origen i la naturalesa encara són parcialment incompresos i sobre la que hi retornarem més endavant.

Aquest resultat ja és revolucionari per si mateix, però el que potser ho és encara més, és que la massa d’aquest halo negre seria aproximadament entre 5 i 10 vegades la de la part visible dels icebergs que després són les galàxies (vegeu imatge a continuació)

L’estudi de la rotació de les galàxies espirals demostra que la part visible d’aquests
objectes és només la punta de l’iceberg del que seria l’halo de matèria fosca. © DR

Una possible alternativa a la hipòtesi de la matèria fosca seria assumir que de fet la dinàmica de les galàxies espirals no està ben entesa i, per tant, la seva corba de rotació està mal interpretada. Però la solució al problema no sembla estar en aquesta direcció.

Com s'ha esmentat anteriorment, ja des del 1930, l'astrònom Zwicky no va poder tenir en
compte les velocitats mesurades al cúmul de galàxies Coma. Aquestes velocitats són la
conseqüència del camp gravitacional intern del cúmul, camp global creat per les masses
dels centenars de galàxies que hi ha. © DR (NdT: La frase significa: Déu meu, que es ben cert)

Aquestes velocitats són doncs un reflex de la massa total del sistema i aquesta massa és a priori igual a la suma de les masses de totes les galàxies individuals, a la que cal afegir la massa del gas calent intra-cúmul del que en Zwisky no n'era conscient. Podem estimar les masses de les galàxies mateixes com la massa de totes les seves estrelles (com a primera aproximació, considerarem la massa de cada estrella igual a la d’una estrella típica com el Sol ).

Però els comptes no surten! La comparació dels càlculs amb les mesures revela que falta massa. La massa total calculada com la de les estrelles, les galàxies i el gas és insuficient per tenir en compte les velocitats observades. De nou, per compensar el dèficit de massa, s’ha d’invocar una gran quantitat de massa oculta o de matèria fosca.

Els miratges gravitacionals induirien a la presència de la matèria fosca

Durant els anys vuitanta va aparèixer una cridanera confirmació d’aquest dèficit massiu amb el descobriment d’arcs gegantins observats al cor dels cúmuls de galàxies. Quin és l’origen d’aquests arcs?

Com veurem una mica més tard, la relativitat substitueix a la força gravitatòria generada per una massa de pertorbació local de l’espai. Les trajectòries de les partícules que passen pels voltants de la massa en qüestió són desviades. En relativitat general, aquest efecte s'aplica a totes les partícules, inclosos els fotons, que són les partícules associades a la radiació electromagnètica.

En aquest diagrama, veiem que els raigs de llum emesos per una font llunyana es desvien
per la presència de la massa del deflector (o lent). Aquí es representen dos d’aquests raigs que,
en lloc d’anar en línia recta, es corben. Així poden arribar a un observador, donant-li la impressió
que aquests raigs són emesos des de dues fonts diferents. Si la font i la lent s’alineen perfectament,
el conjunt de raigs desviats forma llavors, per raons de simetria, un anell anomenat "anell
d’Einstein". © DR

En conseqüència, els raigs de llum enviats per un astre llunyá (estrella, galàxia ...) a un observador seran desviats per la matèria situada al camí d’aquests raigs de llum. Aquestes galàxies o estrelles pertorbadores en aquest cas tenen el paper de deflector o lent (vegeu la foto inferior). Passarà que els raigs de llum que no haurien d'haver arribat a l'ull de l'observador es corbin de manera que ho aconseguiran, creant un efecte miratge. Per raons de simetria, preveiem, en cas d’alineació perfecta font-lent-observador, la formació d’imatges circulars per aquestes lents gravitacionals. A més de la distorsió de les imatges, l'efecte de les lents gravitacionals produeix una amplificació de la brillantor de l'estrella llunyana. Així, es poden utilitzar cúmuls de galàxies com a telescopis gravitacionals, permetent observar galàxies molt llunyanes, difícils de detectar d'una altra manera.

Aquest efecte miratge no és només una conjectura purament teòrica i la imatge de sota del cúmul de galàxies A2218 és, sens dubte, una de les imatges més belles que obté el HST. Així, en aquesta fotografia, cada petita estructura lineal o circular és la "imatge" (en el sentit de l'òptica ordinària) de galàxies molt allunyades del cúmul, deformada i amplificada per la massa de la matèria continguda en aquest cúmul.

Clic per engrandir. Imatge del HST del clúster de galàxies A2218. Cada petita estructura
lineal o circular és la "imatge" de galàxies molt allunyades del cúmul, deformada i
amplificada per la massa de la matèria que conté aquest cúmul. Crèdit: Hubble (HST)

Però el fet sorprenent, a més de la seva bellesa, és que, per explicar i tenir en compte aquests efectes de miratge còsmic, és necessari acudir al cúmul, per tenir en compte les velocitats de les galàxies, la presència d’una quantitat dominant de matèria fosca!

L’origen de les galàxies no es podria entendre sense la matèria fosca

Així, la noció de matèria fosca sembla necessària donat el dèficit en el càlcul de la massa obtinguda a partir del contingut visible de galàxies o cúmuls, en comparació amb la massa total d’aquestes mateixes galàxies o cúmuls, massa deduïda de la seva dinàmica o de l'efecte "miratge".

Finalment, la noció de matèria fosca sembla necessària per una tercera raó, que es refereix al fabulós destí de les galàxies, i en particular, al seu origen. D'on provenen les galàxies i els cúmuls que poblen el cosmos? On i quan neixen? Quins van ser els processos en la seva construcció? Aquestes preguntes continuen obertes i els astrofísics encara intenten respondre-les. No obstant això, hi ha escenaris que, en un esquema ampli, donen compte de l’origen de les galàxies i la seva evolució posterior.

Tot i que el diagrama detallat encara no és complet, ara sembla inevitable un resultat. Sembla, de fet impossible, en l’estat actual del nostre coneixement, comprendre com apareixien les galàxies, les estrelles, els planetes i la vida (la matèria que veiem) sense assumir l’existència de matèria fosca, de la que el seu origen es remunta a l’univers primordial!

La matèria fosca pot frustrar l'expansió de l'Univers?

Un estudi en profunditat demostra que la matèria fosca, en una proporció molt superior a la de la matèria ordinària (també anomenada barionària), és capaç, per efecte de la seva pròpia gravitació, de crear agregats bastant massius de matèria (a diferència de la matèria ordinària que ho fa en quantitat insuficient) per contrarestar eficaçment, en un moment donat, l’expansió de l’Univers, expansió que tendeix a diluir la matèria inexorablement.

Aquests primers agregats (o halos negres) tindrien temps per veure augmentada suficientment la seva massa per coalescència amb els seus veïns, abans que l’expansió no els allunyés inevitablement uns dels altres.

Així, es formarien les primeres estrelles que es faran lluminoses una vegada que la matèria ordinària s'hagués condensat.




- Capítol anterior: Breu història de la cosmologia

- Capítol següent: Cosmos, un univers en expansió (en preparació)


 

Autor de l'original: Alain Mazure, astrofísic
Ho he vist aquí