13/04/2020

Dossier Cosmologia 7: Univers: Què és la matèria fosca?

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.

El nostre Univers seria un "univers fosc", principalment dominat (al voltant del 70% del contingut global) per "energia fosca" i "matèria fosca" (aproximadament un 25%). La recerca de la matèria fosca o de la matèria fosca ja ha començat. Però, què és exactament?

Hem vist, als capítols anteriors d’aquest dossier, que el contingut de l’Univers no es limitava al que només s'ha revelat a l’ull nu o amb el telescopi (planetes, estrelles , galàxies ...). Tots aquests objectes astronòmics estan formats per "matèria visible". Però ara sabem que aquesta matèria visible és només una petita part de la matèria necessària per explicar tant la formació de grans estructures a l’Univers (galàxies, cúmuls ...) com la seva dinàmica.

Clic per engrandir. El telescopi Antares pretén detectar neutrins, possibles candidats
a matèria fosca. Està immers al Mediterrani, a prop de Toulon.
© François Montanet, CC by-sa 2.0

A més, el descobriment de l’acceleració de l’expansió de l’Univers requeriria l’existència d’una “energia fosca”, possible residu fòssil de les fases quàntiques de l’Univers.

Un univers fosc dominat en un 25% per la matèria fosca

L’objectiu permanent dels astrònoms és identificar amb la major precisió possible aquestes diverses aportacions. La imatge revelada per aquesta valoració exhaustiva del contingut còsmic "Matèria-Energia" és la d'un "univers fosc", principalment dominat (al voltant del 70% del contingut global) per "energia fosca" i "matèria fosca" (al voltant del 25%) (vegeu el diagrama següent)

Clic per engrandir. Avaluació del contingut "matèria energètica" de l'Univers. Aquest
contingut està dominat en un 70% per "energia fosca". El component "matèria"
està dominat per "matèria fosca". La matèria visible (gas, estrelles, galàxies, etc.)
només aporta al voltant d’un 5% amb la radiació. © Sci-Bit

Arribem doncs a la sorprenent conclusió que l’univers sensible als nostres sentits directes és només una part minúscula (5%) de l’univers real i que la matèria de la qual estem constituïts només és “l'escuma” d’un “oceà negre” les propietats precises de les quals encara s’han de descobert.

Quina és llavors, la naturalesa d’aquesta matèria fosca o matèria negra? La primera idea era, per descomptat, imaginar que es podia tractar d'una matèria "ordinària" (aquella que constitueix estrelles, galàxies, vida ...) però sota una forma on emetria poca o cap radiació, en cas contrari s'hauria detectat pels instruments existents. Per tant, aquesta matèria "ordinària fosca" ha de ser molt freda (per exemple, l'hidrogen molecular) o bé en forma d'objectes estel·lars gairebé o completament invisibles (com ara forats negres o "estrelles fallides").

Nanes marrons: matèria fosca sota la disfressa de MACHO?

A la dècada de 1990 es van fer importants esforços observacionals per determinar quina quantitat de "matèria fosca" s'amagaria en la forma més probable, la dels nanes marrons, també anomenades Macho (acrònim en anglès de objecte astrofísic compactes massiu de l'halo). Aquestes nanes marrons són estrelles molt fredes, fins i tot estrelles "fallides", és a dir massa poc massives per desencadenar reaccions nuclears dins d'elles.

Aquestes últimes, per exemple, podrien poblar en gran quantitat l’halo galàctic. En aquest cas, haurien d'estar en l'origen dels efectes (micro)-lents gravitacionals, amplificant la brillantor de les estrelles corrents de l'halo en el decurs de la seva incessant mútua ronda a la galàxia.

Com que l’efecte d’amplificació creat per un MACHO és molt feble i fugaç, és necessari per tenir una possibilitat de detectar-lo, observar milions d’estrelles normals durant molt de temps. Això és el que s’ha fet apuntant els telescopis durant anys, ja sigui cap al centre de la Via Làctia, cap als Gran Núvol de Magalhães, o cap a Andròmeda.

Aquestes campanyes d’observació, malgrat la seva dificultat, es van dur a terme i van confirmar que la contribució de les nanes marrons a la massa de l’halo es mantenia baixa (un pocs per cent) i insuficient per tenir en compte la corba de rotació de les espirals.

Wimp i neutrins

Ens veiem obligats, a recórrer a un altre tipus de matèria fosca, les WIMP (acrònim en anglès de partícules massives d'interacció feble). És a dir, considerar partícules no ordinàries i neutres com les partícules predites per les extensions del model estàndard de la física de partícules.

El neutrí, si fos massiu, constituiria un excel·lent candidat, tenint la particularitat de ser una partícula l'existència de la qual es demostra, ja que es detecta en acceleradors. Però ara està desqualificat, tant en l’aspecte físic de les partícules (amb una massa mesurada de zero o molt baixa) com en l’aspecte cosmològic, ja que queda exclòs per la seva incapacitat per assegurar la correcta cronologia en el mecanisme de formació de galàxies.

Les limitacions que proporciona la teoria sobre les característiques (massa, capacitat d’interacció) d’aquests Wimp encara no són prou importants. Intentar detectar aquestes partícules no deixa de ser un repte experimental extraordinari. Tanmateix, només una detecció efectiva serà una prova indiscutible de l'existència d'aquesta matèria i, a la vegada, permetrà conèixer la seva naturalesa.

Un mètode directe consisteix a intentar capturar aquestes partícules al laboratori, amb un detector adequat. La dificultat prové del fet que, per definició, són neutres i són molt poc interactives. Una altra dificultat una vegada més és que els camps d’exploració de les seves característiques, previstes per models teòrics, són immensos.

En conseqüència, tot i que a priori molt nombroses a l'halo fosc de la nostra galàxia, la Via Làctia (d’uns quants centenars a diverses desenes de milers per cm3 , segons la seva massa), dins de la que aquests Wimp transitarien al voltant de 300 km/s, el nombre d'interaccions que tindrien amb un detector adequat col·locat a la Terra, està limitat a unes quantes unitats al dia per 1 kg d'aquest detector.

A més, aquests possibles esdeveniments s’amaguen entre els “paràsits” creats per les interaccions d’altres partícules existents (com els rajos còsmics constituïts de protons o nuclis atòmics presents al medi intergalàctic) amb instruments. Per tant, és necessari construir grans instruments per augmentar la possibilitat de detectar i situar aquests detectors de matèries fosques dins de mines, túnels profunds o fins i tot al fons del mar.

Neutralí, el candidat favorit per a la matèria fosca

El candidat actualment "favorit" per a la matèria fosca és el neutralí, la partícula més lleugera que prediuen els models de física de partícules coneguts com a "models super-simètrics". Aquests models van més enllà del model estàndard simplificant la visió del nostre món físic a costa de la presència de moltes partícules noves associades a les ja conegudes.

Aquestes noves partícules, si existeixen realment, podrien quedar atrapades al centre d’objectes celestes massius com la Terra o el Sol. Si, dins d’aquestes astres la seva densitat és suficient, aquestes partícules es podrien aniquilar entre elles (la anti-partícula del neutralí és el neutralí en si), donant lloc a altres partícules energètiques incloses els neutrins.

Aquests neutrins, procedents del centre de la Terra o del Sol, podrien ser detectats per un telescopi especialitzat anomenat Antares que, situat al fons del mar, "mira" cap al centre de la Terra.

Clic per engrandir. Antares és un telescopi de neutrins situat a 2.400 metres de profunditat.
Ocupa una superfície d’uns 0'1 km2. En el futur se substituirà per un detector de mida
quilomètrica al Mediterrani. El diagrama mostra les 12 línies de fotomultiplicadores (PMT)
desplegades a 40 quilòmetres de la costa. © CPPM

Antares, un telescopi de neutrins submarí

Antares és, de fet, un telescopi de neutrins subaquàtic que funciona al Mediterrani davant de la costa de Toulon (França), a 2.400 metres de profunditat. Detectarà neutrins produïts o bé per estrelles molt energètiques com els microquasars, les restes de les supernoves o els nuclis actius de galàxies o esdeveniments resultants de la interacció de neutrins molt energètics procedents de l’aniquilació de la matèria fosca formada per neutralins.

La unitat bàsica del detector és un mòdul òptic format per un fotomultiplicador, diversos
dispositius i la electrònica associada. El conjunt s’instal·la en esferes de vidre resistents
a la pressió (250 bars). © DR 

Per detectar la matèria fosca, no es detecta directament el neutrí resultant de l’aniquilació. Aquest neutrí que ha travessat la terra interactua amb la matèria produint una altra partícula (el muó). Aquest últim produeix, quan es propaga en aigua, una radiació lumínica de Txerenkov mesurada pels fotomultiplicadors.


- Capítol anterior: L’Univers, un sistema quàntic?
- Capítol següent: Univers: la cerca de l’energia fosca 


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