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.
Es consideren diferents possibilitats per resoldre el problema de la matèria fosca. Aquests no són exclusius: la solució pot ser una barreja de diversos ingredients (o de cap!). En l'estat actual de comprensió de les coses, sembla que ens trobem davant de dos problemes diferenciats: el de la matèria fosca bariònica (aquesta fracció de barions que sabem que està present pels arguments exposats anteriorment, però que no podem veure) i el de la matèria fosca no bariònica (que representa el component principal).
Clic per engrandir. Entre els candidats bariònics: els forats negres. Crèdit: alex_aldo, Adobe Stock
Primer revisarem alguns candidats bariònics, després mirarem els candidats no bariònics, la naturalesa dels quals encara és molt hipotètica. Finalment presentarem un enfocament radicalment diferent, que consisteix a suposar que no hi ha matèria fosca, que és un fals problema, a causa de la nostra incomprensió de les lleis de la gravitació (com va ser el cas del moviment de Mercuri).
Matèria fosca bariònica
Objectes astrofísics
No és insensat imaginar que existeix a l'Univers matèria que no emet prou llum per ser vista directament. Al cap i a la fi, la majoria dels objectes que ens envolten a la vida quotidiana no emeten llum, només els veiem perquè estan il·luminats per fonts externes. Per tant, la idea de la matèria fosca bariònica és bastant natural, en última instància. Aquests són els principals candidats que es poden haver considerat en un moment o altre:
- núvols d'hidrogen H2 molecular
- nanes marrons
- nanes blanques
- estrelles de neutrons
- forats negres
Cadascuna d'aquestes hipòtesis pot donar lloc a proves experimentals, ja que cap d'aquests objectes és perfectament invisible, hauria de ser possible veure'ls directament. Posem-los per ordre:
Els núvols moleculars poden conduir a l'emissió de radiació gamma quan són travessades per raigs còsmics (partícules carregades d'alta energia, res a veure amb la radiació cosmològica de la qual hem parlat anteriorment) que conté la galàxia, també poden absorbir part de la radiació que els travessa quan es mira un objecte col·locat darrere.
Les nanes marrons, les nanes blanques (veure les imatges a continuació) i estrelles de neutrons són objectes de tipus estel·lars que emeten radiació en certes longituds d'ona. Les nanes blanques tenen la propietat de poder refredar-se i, per tant, morir (mentre que la majoria d'altres tipus d'estrelles s'escalfen durant la seva evolució), tant que es pot imaginar que l'Univers en conté moltes en forma extingida i, per tant, poc visibles. De fet, donada l'edat de la nostra galàxia, podem determinar la brillantor de les nanes blanques més febles que conté (són les més antigues), i el Telescopi Espacial Hubble passa a ser capaç de detectar-les. Difícil d'amagar, així que...
Clic per engrandir. Nana marró de 0,06 masses solars (60 vegades la massa de Júpiter), vista per Chandra a través d'una erupció de raigs X.
Clic per engrandir. Espectacular naixement en una nebulosa. Al mig, Sirius B, una nana blanca força difícil de veure (la taca superior) a causa de l'encegament provocat per Sirius A (l'objecte principal).
Els forats negres, com de fet les nanes marrons, les nanes blanques, les estrelles de neutrons i fins a cert punt els núvols moleculars compactes, es poden detectar pel fenomen de lent gravitacional, que descriurem més endavant.
Sembla que cap d'aquests candidats pot tenir realment totes les propietats necessàries per resoldre el problema de la matèria fosca, encara que només es busqui destacar la petita fracció de la naturalesa bariònica. Els intents de detectar un excedent d'aquests objectes han fracassat parcialment (vegeu més avall, microlents gravitacionals). A més, diverses d'aquestes solucions no són satisfactòries des del principi, perquè no s'entén realment com una quantitat significativa de nanes blanques o forats negres, per exemple, es podria formar durant la història de l'Univers.
El gas primordial
És possible detectar els grans núvols primordials d'hidrogen, gràcies a les seves propietats d'absorció: observant una font molt llunyana (desplaçament cap al vermell de l'ordre de 2 o més) d'on en coneixem l'espectre, podem veure les línies d'absorció provocades per aquests núvols. La línia d'absorció de cada núvol es veu desplaçada al vermell per un factor que depèn de la distància a la qual es trobi. Aleshores observem en l'espectre dels quàsars tot un munt de línies corresponents a tots els núvols que es troben a la línia de visió. Parlem d'un bosc alfa de Lyman (Lyman alfa és el nom de la transició atòmica que dóna lloc a cadascuna de les línies individuals). El seu estudi és de gran importància en Cosmologia, d'una banda perquè permet estudiar la manera com es distribueixen els núvols a l'espai (i així provar els models de formació de les grans estructures) i d'altra banda perquè es pot mesurar la quantitat de gas present a les regions investigades. El resultat net és que la densitat de gas observada és molt coherent amb les prediccions de la nucleosíntesi primordial. En altres paraules, "aconseguim detectar tots els barions de l'Univers primordial, i realment no hi ha cap problema de matèria fosca bariònica a gran escala".
A més, són massa lleugers per explicar que les grans estructures es podrien haver format. Els neutrins, amb massa feble, viatgen a la velocitat propera a la de la llum a mesura que les grans estructures s'esfondren. Més endavant veurem per què això fa que els neutrins siguin candidats pobres a la matèria fosca.
Les pistes de la física de partícules
La física de partícules descriu els fenòmens elementals de la natura. Tots els fenòmens que observem semblen implicar camps quàntics que tenen propietats poc intuïtives, amb característiques que atribuiríem a les ones i d'altres que atribuiríem a les partícules. La teoria que descriu aquests fenòmens s'anomena teoria quàntica de camps.
De fet, no n'hi ha prou amb tenir una teoria. Per estar convençuts d'això, tornem a la mecànica clàssica. Aquesta teoria indica la manera com es posa en moviment un cos, en funció de les forces a les quals està sotmès. No diu res sobre quines són aquestes forces, i per entendre el moviment dels planetes, a més, cal suposar que la llei de l'atracció gravitatòria té una forma particular. És el mateix en la física de partícules, i has de fer suposicions sobre les interaccions entre les partícules. Als físics els hi agrada basar aquestes hipòtesis en arguments de simetria, i resulta que les simetries simples condueixen a un model que té en compte els fenòmens observats, especialment en el domini d'altes energies, s'anomena, Model estàndard de la física de partícules. Aquest enfocament va conduir a la unificació de la interacció feble i la interacció electromagnètica.
Tot i el seu èxit, el model estàndard no ho explica tot. Per exemple, no permet entendre per què l'Univers que observem està fet de matèria sense una contrapartida notable en antimatèria, o per què totes les partícules conegudes tenen càrregues elèctriques que són múltiples enters d'una càrrega elemental, per citar alguns exemples. Això fa creure als investigadors que hi ha un model més complet, potser basat en una teoria més completa, que proporciona aquestes explicacions. S'han proposat aquestes extensions del model estàndard, que inclouen:
- Les teories de la gran unificació, que suposen que les diferents interaccions (interacció electromagnètica, interacció feble, interacció forta) són diferents facetes de la mateixa interacció fonamental.
- Teories supersimètriques, que parteixen de simetries més extenses que en el model estàndard.
- Teories de cordes, en què els objectes fonamentals ja no són punts (com les partícules), sinó que es poden veure com a cordes. Aquestes cordes tenen diversos modes d'excitació (com la vibració d'una corda de guitarra), que es pot identificar amb diferents partícules. Així, les diferents partícules només serien les diferents excitacions d'un mateix objecte fonamental, i les reaccions entre partícules serien les transicions d'un mode de vibració a un altre, possiblement acompanyades d'una separació de la corda en diverses peces. Tingueu en compte que aquestes teories de cordes es basen generalment en la supersimetria i sobre la unificació.
Aquestes pistes encara són només teòriques, en el sentit que cap d'elles està recolzada per confirmació experimental. També cal destacar que, fins i tot a nivell purament teòric, encara hi ha problemes de coherència i obstacles conceptuals. Aquestes teories prediuen l'existència de noves partícules:
- partícules supersimètriques (per exemple: neutralins),
- axió,
- neutrins pesats,
- Q-balls,
- Wimpzillas, criptons... (s'esmenten aquests noms per excitar la curiositat del lector. Els físics són molt juganers, i dediquen una part important de la seva imaginació a inventar noms per a nous objectes que inventen o descobreixen).
La majoria d'aquestes partícules són inestables i es desintegren espontàniament en altres partícules. Tanmateix, alguns poden ser estables (o almenys tenir una vida útil molt llarga). Si una partícula estable tan nova pot existir, i si s'hagués pogut crear en qualsevol moment del passat de l'Univers, es pot imaginar que l'Univers actual està ple d'elles i que aquesta partícula constitueix matèria fosca.
Per resumir aquesta complicada imatge, diguem que s'adaptaria bé als físics de partícules si una teoria substituís o completés el model estàndard, i s'adaptaria bé als astrofísics també perquè les noves partícules podrien constituir matèria fosca. Fem una ullada més de prop a un exemple particular d'aquesta llista: el neutralí.
Els neutralins: matèria fosca “freda”
Entre els candidats que ofereix la física de partícules, el neutralí juga un paper força important. És una partícula nova introduïda per supersimetria. És neutre, és estable en algunes versions de supersimetria i podria ser matèria fosca. Aclarim aquest darrer punt: les propietats que importen per determinar si una partícula pot constituir matèria fosca són la seva massa i la seva secció transversal (la seva capacitat de reaccionar amb una altra partícula quan s'uneixen).
Comencem detallant la importància de la massa: com més massiva sigui una partícula, menor serà la seva velocitat per a una energia determinada. Això implica que en qualsevol moment de l'evolució cosmològica, les partícules molt lleugeres són relativistes mentre que les més pesades no ho són. Tanmateix, quan les fluctuacions de densitat comencen a col·lapsar-se sobre si mateixes per formar el que més tard es convertiran en les primeres grans estructures còsmiques (galàxies, cúmul de galàxies i supercúmuls), la situació és completament diferent tant si les partícules de matèria fosca són relativistes com si no.
En el primer cas (parlem de matèria fosca calenta), poden escapar ràpidament tan bon punt han format una sobre-densitat, que tendeix a frenar el seu col·lapse posterior, sobretot a petites escales espacials. La formació de les estructures comença llavors amb les grans escales espacials, els supercúmuls de galàxies, que amb el temps es fragmenten per donar cúmuls de galàxies, després galàxies. Estem parlant d'un escenari de dalt a baix (top-down en anglès).
En el segon cas (aleshores parlem de matèria fosca freda), el fenomen anterior no es produeix i primer es formen les estructures petites (galàxies, petits cúmuls de galàxies). Les grans estructures es formen posteriorment, per aplec i fusió de les estructures més petites. Estem parlant d'un escenari de baix a dalt.
Pel que fa a la secció transversal, també és una magnitud crucial, perquè determina la quantitat de partícules que poden sobreviure a les nombroses reaccions que tendeixen a disminuir la seva densitat durant l'expansió cosmològica. El neutralí és bastant notable en aquest sentit, perquè la física de partícules proporciona una sèrie de seccions transversals (i no una sola secció transversal, malauradament) que condueix a densitats relíquies (aquest és el terme habitual per a la densitat de partícules supervivents) que corresponen aproximadament a la densitat de matèria fosca. Això és molt encoratjador i la hipòtesi neutralí és una de les preferides dels astrofísics. Un punt menys encoratjador és que aquí ens trobem davant d'una certa paradoxa: que una partícula sigui abundant a l'Univers avui, la seva secció transversal no ha de ser massa gran, per tant ha de ser relativament poc reactiva. Com que és per les seves reaccions que detectem les partícules, això implica que serà més difícil de detectar!
Observem per acabar que els càlculs de la densitat de les relíquies ja permeten excloure determinades propostes de solució al problema de la matèria fosca. De fet, algunes partícules tindrien seccions transversals massa petites, i la seva densitat de relíquia avui dia seria molt més gran que la densitat total de l'Univers, cosa que no és acceptable. Per tant, podem eliminar aquestes partícules de la llista de candidats. Això permet, per exemple, excloure determinats valors dels paràmetres de supersimetria, per als quals el neutralí seria massa abundant avui dia.
Les modificacions en les lleis de la gravetat
Dimensions addicionals
Per altres motius, alguns teòrics investiguen la possibilitat que el nostre Univers tingui més de 4 dimensions. Això pot semblar una idea molt descabellada, ja que no veieu aquestes dimensions addicionals. De fet, hi ha dues raons per les quals potser no veiem aquestes dimensions addicionals, encara que existissin:
- Són “compactes”, és a dir enrotllats sobre ells mateixos a escales submicroscòpiques.
- Forces diferents de la gravetat no hi tenen cap efecte.
Aquesta hipòtesi també pot conduir a l'existència de diverses partícules noves, que podrien constituir matèria fosca. També comporta una modificació de la llei de la gravitació a curta distància. Això podria proporcionar una manera de validar-lo o invalidar-lo.
En aquest mateix ordre d'idees, es preveu que patim la influència gravitatòria del que conté un altre espai, connectat al nostre per aquestes dimensions addicionals. Les manifestacions de la matèria fosca serien llavors l'efecte d'un món paral·lel sobre el nostre. Fixeu-vos que podríem enfonsar-nos molt ràpidament en el deliri més total, si ens conforméssim amb aquesta manera de presentar les coses, que s'assembla més a un episodi de Star Trek que de la ciència. De fet, els científics, quan expressen aquestes hipòtesis tan especulatives, ho fan (en general) en el marc de desenvolupaments teòrics precisos i controlats. En aquest cas, les teories que impliquen dimensions addicionals sovint se situen en el marc de la teoria de cordes.
Una altra modificació de la gravitació: Mond
També s'ha proposat empíricament que les lleis de la gravitació no són lleis newtonianes, ni les proporcionades per la relativitat general. Un grup d'investigadors es va preguntar quina forma hauria de tenir una força d'atracció gravitatòria per explicar els moviments interns de les galàxies, sense dependre de la matèria fosca. Van plantejar una "teoria" que anomenen Mond, un acrònim de MOdified Newtonian Dynamics (Dinàmica Newtoniana Modificada). Aquest enfocament comença amb una idea interessant, però es troba amb diversos problemes greus. Pateix una certa manca de coherència teòrica. Es construeix des del principi amb un enfocament no relativista, i no resol el problema de la matèria fosca a nivell cosmològic. Finalment, assenyalarem que és possible posar en competició els diferents models de matèria fosca en la interpretació de certs sistemes molt ben observats, com els cúmuls de galàxies. Resulta que MOND sempre arriba als darrers llocs, la qual cosa posa aquesta hipòtesi en una mala posició.
Més enllà de la Relativitat General
Finalment, es pot considerar que la nostra possible incomprensió de la gravitació es remunta a la font, que la relativitat general mateixa ha de ser qüestionada.
Veure:
Capítol anterior: 6 Les propietats
Capítol següent: 8 La recerca de la prova experimental 1
Ho he vist aquí.
