La Via Làctia, un magnífic camí d'estrelles al cel nocturn, encara guarda molts secrets. La matèria fosca i l'energia, els forats negres supermassius són temes fascinants per entendre millor la nostra galàxia.
Ara estem convençuts que només coneixem una petita part de l'univers. Així galàxies, en particular la Via Làctia, apareixen banyades en un halo de matèria fosca.
Ja l'any 1933, Fritz Zwicky va notar que les galàxies dins dels cúmuls (com els cúmuls de Verge, Coma, etc.) estaven agitats amb gran velocitats, massa elevades per que la massa visible del cúmul pugui retenir-los per la gravetat. L'astrofísic va concloure l'existència de massa invisible, per tant de matèria fosca.
Clic per engrandir. Centaurus A, una galàxia lenticular. Crèdit: ESO / WFI (Òptic) MPIfR / ESO / APEX / A.Weiss et al. (Submil·limètric); NASA / CXC / CfA / R.Kraft et al. (Raigs X) , CC per 4.0
Malgrat això, la massa que faltava es considerava feta de matèria ordinària, d'àtoms que coneixem bé, ja sigui en forma de gas d'hidrogen, o com a objectes condensats, com ara estrelles al final de la vida o nanes marrons, etc.
Galàxies en un halo de matèria fosca
A la dècada de 1970, la mesura exacta de la rotació de les estrelles i del gas dins de les galàxies espirals va evidenciar l'existència de massa mancant dins de les galàxies, que així apareixen banyades en un halo de matèria fosca.
El 1984, Blumenthal i els seus col·laboradors van anar més enllà: per formar galàxies a partir de minúscules fluctuacions primordials, la matèria ordinària no és pas suficient. Cal assumir l'existència de la matèria exòtica, feta de partícules sense col·lisions, que no interaccionen directament ni amb la matèria ordinària ni amb els fotons, però només per la gravetat. Aquests són els fonaments del model estàndard de matèria fosca freda o CDM (cold dark matter).
Clic per engrandir. Corba de rotació en una típica galàxia espiral, aquí la Via Làctia. La velocitat de la matèria V (en km/s) es representa en funció de la distància al centre R (en kpc, el parsec equival a uns tres anys llum). Els punts de mesura són els símbols de les estrelles. La massa del bulb (B) i la del disc (D) poden explicar la corba de rotació, en línies fines contínues. Però es necessita l'halo de matèria fosca (H) per reproduir la línia gruixuda contínua, que és coherent amb les observacions. S'indica la posició del Sol a 8 kpc. Crèdit: Françoise Combes
Avui, després de diversos satèl·lits (Cobe, WMap, Planck) que han estudiat amb detall les fluctuacions i anisotropies del fons còsmic de microones, sabem que el model del Big Bang, on l'univers en expansió era molt calent i dens, fa 13.800 milions d'anys, es confirma amb una precisió molt alta. Totes aquestes observacions, amb els mapes de lents gravitacionals (a on els raigs de llum de les galàxies de fons són desviats per la matèria fosca de primer pla), així com l'estudi de supernoves tipus Ia, que demostren ser uns excel·lents calibradors de distància (anomenades "espelmes estàndard"), convergeixen en un model de l'univers, anomenat "concordança".
L'univers és un 25% de matèria fosca
La curvatura de l'univers és zero, l'espai és "pla", segons la nostra intuïció: la llum es propaga en línia recta, i la suma dels angles d'un triangle és efectivament de 180 graus, com s'ensenya a l'escola. D'altra banda, els continguts de l'univers són més confusos:
- 5% matèria ordinària;
- 25% de matèria fosca exòtica;
- 70% d'energia fosca.
El sector fosc, completament desconegut, correspon, doncs, al 95% del total, a més no hem identificat tota la matèria ordinària, de la qual només és visible una desena part. No sabem si l'energia fosca és realment un cinquè element (quintaessencia) o només una constant de la llei de gravitació (“constant cosmològica”), coherent amb totes les observacions fins ara.
Clic per engrandir. Esquema que mostra la distribució de la matèria continguda a l'univers. La majoria ens és desconeguda. Crèdit: Françoise Combes. Infografia en català: Sci-Bit
Composició de la matèria fosca
De què està feta la matèria fosca? Fins fa poc, el millor candidat per constituir-lo era el neutralí, la partícula massiva més estable de la família de les partícules supersimètriques, que interaccionava molt feblement amb la matèria ordinària. Les esperances de confirmar la teoria de supersimetria, que duplica el nombre de partícules elementals, sembla que es marceixen a mesura que es realitzen els experiments del CERN al LHC.
D'altra banda, si el model CDM reprodueix bé les observacions de l'univers primordial i permet formar les estructures, es troba amb seriosos problemes en l'evolució i la dinàmica de les galàxies actuals. Les simulacions de l'univers per ordinador basant-se en el model CDM formen pics de densitat de matèria fosca cap al centre de les galàxies que no s'observen, i mostren milers de galàxies satèl·lit al voltant d'una principal, com la Via Làctia , on no s'observa més que una dotzena d'acompanyants.
Els esforços per resoldre aquests problemes amb la física de la matèria (formació d'estrelles i supernoves, energia de forats negres i nuclis actius al centre de les galàxies, per allunyar la matèria fosca) resulten ineficaços. Tant és així que avui s'estan estudiant altres models, com el de matèria fosca càlida, que es podria formar a partir de neutrins estèrils, amb una massa 1.000 vegades menor que la dels neutralins.
També s'estudien altres vies, com la de la gravetat modificada, que fins aleshores no es pensava seriosament. El problema de la massa desapareguda podria ser degut només a l'adopció de les lleis de Newton i d'Einstein per a un domini de baixa gravetat, on encara no s'han verificat. Aquest domini és el de les galàxies, i només l'astrofísica podria posar-nos en el camí. Tanmateix, no és fàcil trobar la llei correcta, que implica camps escalars i vectorials addicionals, i sobretot explicar per què són necessaris a l'univers.
Les perspectives de recerca s'obren per a la propera dècada gràcies als nombrosos experiments que s'estan preparant arreu del món: el satèl·lit europeu Euclid, així com telescopis a terra òptic (LSST, Large Synoptic Survey Telescope) i ràdio (el SKA, Square Kilometer Array), són les principals eines.
Veure:
Anterior: 3 Estructura i components de la galàxia espiral
Següent: 5 El forat negre al cor de la Vía Làctia
Ho he vist aquí.
