Dossier. La matèria fosca; 2 Urà i Neptú, Mercuri i Vulcà

En aquesta fitxa es presenten les diferents pistes que porten a la hipòtesi de la matèria fosca, així com diverses propostes que s'han fet per intentar dilucidar-ne la naturalesa. 

Començarem amb un relat breu, o més aviat un episodi de la Història de la Ciència, que sembla tenir poc a veure amb els problemes moderns de matèria fosca, ja que parlarem de planetes. Tanmateix, la petita ensenyança d'aquesta història pot servir de guia en les pàgines següents.

Clic per engrandir. Urà i Neptú vistos per la missió Voyager 2 de la NASA. Crèdit: NASA, Voyager Science Team.

Molt aviat en la història de l'astronomia, es va observar que algunes posicions que ocupaven l'estrelles al cel variaven amb el temps. Alguns d'aquests objectes celestes s'han identificat com a planetes (l'arrel grega de la paraula "planeta" significa "vagant"). Els seus moviments al cel poden ser molt complexos i s'han ideat sistemes sofisticats per tenir en compte aquesta complexitat. 

Les òrbites dels planetes

De fet, malgrat les aparences, els planetes descriuen trajectòries senzilles a l'espai: es tracta d'el·lipses (primera llei de Kepler). La complexitat del moviment al cel es deu principalment al fet que observem aquest moviment des de la Terra que també està en moviment. La forma el·líptica de les trajectòries s'explica bé per la hipòtesi que els planetes estan relacionats amb el Sol per una força d'atracció, segons la llei de gravitació universal formulada per Newton. De fet, la llei de Kepler és precisa per a un sol planeta que orbita una estrella, però no tan exactament quan hi ha múltiples planetes, cadascun pertorba lleugerament el moviment dels altres i les òrbites resultants tenen diferents formes una mica més complexes. Si coneixem la posició de tots els planetes en un moment donat, podem calcular aquestes pertorbacions amb la llei de Newton, i comparar la trajectòria calculada amb el moviment observat. Dins dels límits dels errors experimentals, l'acord és molt bo per a la majoria dels planetes. Això indica que, efectivament, la llei de l'atracció formulada per Newton té en compte la força que uneix els planetes al Sol.

Les errades d'Urà i el descobriment de Neptú

Quan vam intentar fer aquesta comparació amb més precisió, van aparèixer diversos problemes. En primer lloc, ens vam adonar a principis del segle XIX que el moviment que es calculava per Urà (aleshores l'últim planeta conegut del Sistema Solar) no coincidia amb l'observat. El 1845 dos astrònoms, Adams i Le Verrier tenen independentment, la mateixa idea per resoldre aquest problema. Presenten la hipòtesi que la pertorbació es deu a un nou planeta situat més enllà d'Urà. Van més enllà i calculen la posició que hauria d'ocupar aquest planeta per explicar les anomalies de la trajectòria d'Urà. Aleshores s'apunta un telescopi cap a la posició prevista i el 1846 s'observa el nou planeta: és Neptú!

Clic per engrandir. El planeta Urà. Crèdit: Erich Karkoschka, Universitat d'Arizona

Clic per engrandir. Urà a l'esquerra, i el seu element inquietant, Neptú, a la dreta

Les errades de Mercuri i la relativitat general

La història es repeteix deu anys després. El 1855, Le Verrier va observar una altra anomalia en el moviment de Mercuri: el seu periheli (el punt de la seva òrbita en què el planeta està més a prop del Sol) gira al voltant del Sol una mica massa ràpid en comparació amb els càlculs. Parlem "d'avanç del periheli de Mercuri". A partir de l'èxit anterior, assumeix que aquesta anomalia també es deu a un nou planeta. Torna a calcular la posició que hauria de tenir per explicar l'anomalia de Mercuri, i troba que la seva òrbita hauria d'estar dins la de Mercuri, molt a prop del Sol. Aquest hipotètic planeta ja té un nom: Vulcà. Aquesta vegada, però, malgrat tots els esforços astronòmics per observar-lo

a la posició prevista, ningú pot veure'l. Cal dir que és una situació experimental difícil: es tracta d'observar un planeta situat molt a prop del Sol. S'han proposat diverses explicacions, la presència de gas, asteroides, però caldrà esperar al 1915 perquè es trobi la solució radical: no hi ha cap planeta nou, i tal com mostra Einstein aquell any, l'anomalia prové del fet que hem utilitzat la mecànica newtoniana per calcular el moviment de Mercuri, mentre que la gravitació ha d'apel·lar a una altra teoria, la relativitat general.

La diferència és molt petita per als planetes més allunyats del Sol que Mercuri, perquè el camp gravitatori és menys fort allà, però és suficient en el cas de Mercuri per conduir a l'anomalia observada. Els càlculs de la relativitat general condueixen naturalment al valor correcte de l'avanç del periheli de Mercuri. Tingueu en compte que aquest fenomen d'avanç del periheli s'ha demostrat des d'aleshores per a altres planetes; Mart, la Terra i Venus.

Clic per engrandir. Trànsit de Mercuri per davant del Sol. Crèdit: D. Dierick 2003

Veure:

Capítol anterior: 1 La matèria fosca, els seus secrets
Capítol següent: 3 La matèria fosca: dins dels cúmuls de galàxies

 

Ho he vist aquí.