En aquest dossier 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.
Un altre enfocament és suposar que l'Univers en realitat està ple de matèria fosca, i intenta detectar-ho. Això constitueix una intensa activitat de recerca.
Es poden distingir dos enfocaments:
- Detecció directa: instrumentem un bloc de matèria i esperem que vingui una partícula a interactuar.
- Detecció indirecta: busquem al cel senyals anormals, que podrien provenir de la desintegració o aniquilació de partícules de matèria fosca.
Clic a l'imatge per engrandir. Observant el cel a la recerca de matèria fosca. Crèdit Robert, Fotolia
La recerca d'objectes compactes: microlents gravitacionals
D'alguna manera, moltes observacions del cel es poden considerar com cerques de matèria fosca, intentem detectar coses que no havíem vist abans. Per contra, un experiment que té com a finalitat declarada detectar matèria fosca pot ajudar a entendre millor certes característiques dels objectes astrofísics coneguts, alguns dels quals havien escapat a l'observació. Un exemple sorprenent és l'ús de microlents gravitacionals. Hem vist abans al dossier que el camp gravitatori d'un objecte (la lent) pot doblegar la trajectòria dels raigs de llum i canviar l'aspecte de la imatge d'un altre objecte situat darrere. Quan l'objecte-lent té massa de l'ordre d'una fracció de massa solar, l'efecte pot ser força espectacular: el flux lluminós de la imatge es pot amplificar pel pas de la lent, i això per un factor que pot arribar a diverses desenes.
Aquest fenomen és rar, i cal observar-ne milions d'estrelles si volem detectar alguns esdeveniments de microlent. Fins ara, això només ha estat possible en regions molt denses en estrelles: el centre galàctic i al núvols de Magalhães, l'experiment AGAPE, (sigles en anglès de Galàxia d'Andròmeda i Experiment dels píxels amplificats), amplia aquest mètode per aplicar-lo a la galàxia d'Andròmeda M31). Si la matèria fosca està formada per objectes compactes capaços de donar lloc a aquests esdeveniments de microlents gravitacionals, llavors podem calcular el nombre d'aquests esdeveniments que hauria d'induir la matèria fosca continguda a l'halo de la nostra galàxia.
Aquests esdeveniments es van observar efectivament, però en quantitat inferior a la prevista pels models. L'anàlisi precisa dels resultats indica que l'halo de la galàxia no pot estar format per més d'un 20% d'objectes amb masses incloses en 10 -6 i 1 massa solar. Aquest rang de massa cobreix tots els objectes de tipus nanes marrons, estrelles de poca massa.
Detecció directa
Si la nostra galàxia està envoltada per un halo de matèria fosca en forma de partícules, la Terra hauria de ser travessada permanentment per un corrent d'aquestes partícules. Aleshores hauríem de poder detectar-los directament, és a dir, destacar la seva interacció amb la matèria en un detector.
A aquest tipus d'investigació es dediquen diversos experiments. Una de les principals dificultats consisteix a reconèixer les eventuals partícules de matèria fosca entre els altres processos que poden conduir a un esdeveniment en el detector: radiació còsmica, una partícula de radioactivitat natural, etc. La primera precaució és blindar l'experiment i enterrar-lo sota terra (per protegir-se dels raigs còsmics). Aleshores, els esdeveniments procedents de la matèria fosca no tenen la mateixa probabilitat segons la temporada de l'any: la Terra gira al voltant del Sol que gira al voltant del centre galàctic. Allà la velocitat de la Terra en comparació amb l'halo de la galàxia difereix d'una estació a l'altra, i per tant s'hauria d'observar una variació anual del senyal de detecció directa.
Aquesta variació anual va ser anunciada l'any 1998, i confirmada regularment des de llavors, per la col·laboració DAMA ubicada a Grand Sasso (Itàlia). Tanmateix, aquest anunci encara troba un cert escepticisme dins de la comunitat científica, perquè altres experiments almenys tan sensibles (Edelweiss, per exemple) troben que el resultat anunciat per DAMA està exclòs.
Detecció indirecta
Si l'Univers s'omple de partícules d'un nou tipus, es produeixen col·lisions de tant en tant, que poden provocar reaccions que les destrueixen, aniquilacions. Poden produir partícules de les quals coneixem les propietats i que sabem detectar: fotons, neutrins, electrons, positrons, protons i fins i tot antiprotons o antinuclis. Cal assenyalar immediatament que aquestes aniquilacions són rares, de manera que la producció de partícules que estem comentant aquí és un fenomen marginal.
Encara hauria d'existir, i hauríem de veure com aquestes partícules apareixen en regions de l'Univers on la matèria fosca és abundant. Concretament, aquests llocs són els centres de les galàxies i els centres de cúmul de galàxies, que contenen molta matèria fosca simplement perquè es van formar galàxies on la matèria fosca era abundant! També hi hauria d'haver una concentració força gran de matèria fosca al Sol i al nucli de la Terra, per una raó diferent: aquests objectes celestes poden capturar matèria fosca ambiental en el seu camp de llum gravetat. Finalment, si la matèria fosca es presenta en forma de grumolls, com hem suggerit anteriorment, aquests grumolls també són llocs on la concentració és especialment elevada.
L'estratègia de detecció indirecta consisteix a observar aquests llocs per intentar destacar un excés de partícules. Ràpidament ens adonem de la dificultat d'aplicar aquesta observació per destacar la matèria fosca: destacar la presència d'electrons al Sol o a les galàxies no és res extraordinari, és fins i tot molt banal, i caldrà molta persuasió per convèncer ningú que provenen de l'aniquilació de la matèria fosca!
La idea no és tan absurda però, perquè un pot interessar-se per partícules que a priori són més rares en el lloc on s'observa. Considereu diversos casos concrets:
Neutrins
Podem observar el Sol o les galàxies intentant capturar neutrins d'alta energia. Els neutrins emesos pel Sol, i les estrelles en general, durant les reaccions termonuclears, tenen una energia relativament baixa, i no es coneix cap procés que no sigui l'aniquilació de la matèria fosca que creï neutrins d'alta energia. Aquest és un dels objectius dels experiments Amanda i Antares, que constitueixen telescopis de neutrins.
Fotons gamma
L'aniquilació de la matèria fosca també podria produir fotons gamma d'alta energia. Les observacions de grans telescopis dedicats a l'observació en el domini gamma podrien proporcionar respostes importants.
Positrons
L'aniquilació de partícules de matèria fosca també podria produir positrons, antipartícules dels electrons. Aquests positrons són força visibles a la galàxia, perquè al seu torn s'aniquilen quan troben electrons, produint fotons d'energia característica (una línia d'aniquilació a 511 keV). Aquesta línia d'aniquilació està ben observada, i fins i tot s'utilitza per produir mapes de positrons a la galàxia (vegeu imatge més avall). Els que no s'aniquilen també es poden detectar directament en instruments en òrbita (Egret). L'objectiu principal d'aquests instruments no és detectar matèria fosca, sinó (entre d'altres coses) mesurar la quantitat de positrons que se sap que estan presents, produïts pels molts fenòmens molt energètics de la Galàxia. Resulta que aquests dos instruments han detectat fluxos anormalment alts de positrons.
Pel que fa als positrons, es dediquen diversos experiments a l'estudi dels antiprotons còsmics. Mesures molt precises de la quantitat d'antiprotons per sobre de l'atmosfera terrestre es van dur a terme per l'experiment de Bess, així com durant el vol de prova de l'experiment AMS a bord del transbordador espacial l'any 2002. Les mesures actuals estan totalment d'acord amb les quantitats previstes pels models que descriuen la producció d'aquests antiprotons. Això vol dir que si hi ha una contribució procedent de la matèria fosca, ha de ser prou feble per no competir amb la contribució "estàndard". Aquesta no observació, per dir-ho així, permet posar restriccions a les propietats de la matèria fosca, en excloure els models que conduirien a una producció excessiva d'antiprotons. Es fan estudis similars per als antinuclis més pesats, principalment l'antideuteri, que també va ser ben observat per AMS.
Clic a l'imatge per engrandir. Imatge artística de l'experiment AMS-01 a bord del transbordador espacial per al vol de prova el 1998.
Raigs còsmics d'alta energia
Hi ha un excés de partícules carregades d'alta energia en comparació amb les expectatives teòriques. Es desconeix la naturalesa d'aquestes partícules carregades, podrien ser protons, però també altres coses. Diversos experiments es dediquen a l'observació a gran escala d'aquests raigs còsmics, amb l'objectiu d'entendre la seva composició, el seu origen i potser la seva relació amb la matèria fosca.
