capítulo 1

La materia oscura

Todas las estrellas que podemos observar a simple vista son una pequeña muestra de nuestra galaxia particular: la Vía Láctea. En esta imagen vemos un dibujo de la Vía Láctea, tal como se observaría vista “desde arriba” y “de perfil”. En ella se aprecian sus partes principales: un denso núcleo galáctico de forma esferoidal y un disco aplanado formado por brazos espirales, en uno de los cuales se encuentra el Sol.

En la figura 1 vemos una foto de la galaxia espiral NGC 3953, parecida a la Vía Láctea. Las galaxias tienen formas y tamaños diversos, y, además de estrellas, contienen grandes cantidades de polvo y gas.

La Vía Láctea tiene unos cien mil millones de estrellas. Si las contáramos al ritmo de una por segundo, tendríamos que estar tres mil años contando ininterrumpidamente. Su tamaño es también colosal: cien mil años luz de diámetro, es decir, la luz necesita viajar durante cien mil años para ir de punta a punta. Es fácil entender que se trata de una distancia gigantesca, pero resulta realmente difícil hacerse una idea de hasta qué punto es así. Imaginemos que queremos hacer una maqueta de la Vía Láctea a escala casera. Para ello representamos el Sol con una canica de un centímetro de diámetro. A esa escala, la Tierra sería una mota de polvo, tan fina como el grosor de un cabello humano, a un metro de la canica (el Sol). La estrella más próxima al Sol es Alfa-Centauri, a 4,3 años luz. Tendríamos que representarla con una segunda canica2... ¡a 300 kilómetros de la primera! La escala casera se habría convertido en “escala geográfica”. Y ahora tendríamos que seguir poniendo cien mil millones de canicas más. La nu­­be de canicas resultante tendría un diámetro ¡de siete millones de kilómetros!, unas 18 veces la distancia de la Tierra a la Luna.

Como hemos dicho, la Vía Láctea es sólo una entre muchas galaxias. Actualmente, se conoce la existencia de más de 100.000 millones. Las galaxias tienden a estar agrupadas en cúmulos de galaxias, de diversas dimensiones. Los cúmulos son sistemas estables, ligados por la atracción gravitatoria.

Intuitivamente, podría parecer que el universo es un lugar esencialmente estático, en el que las estrellas y las galaxias flotan inmutables, como lámparas colgadas en un gran salón. Sin embargo, el universo es un lugar dinámico, incluso violento, en el que suceden muchos fenómenos interesantes. Para empezar, las estrellas y las galaxias se mueven a velocidades vertiginosas, y la forma en que lo hacen nos proporciona una información valiosísima sobre la estructura del universo, y también sobre su origen y su futuro, como vamos a ir comprobando. Además, en el universo se observan hechos muy llamativos, como estrellas que nacen, estrellas que explotan, choques de galaxias e, incluso, de cúmulos de galaxias. Todos estos hechos, inteligentemente analizados, aportan también información básica trascendental. Y ahí no acaba la cosa. Las estrellas y otros objetos del universo emiten luz de diversos tipos. Del análisis de esta luz, y de las modificaciones que sufre en su camino hasta la Tierra, se puede extraer información esencial y extraordinariamente rica sobre el universo. Y todavía hay más fuentes de información. Indudablemente, la forma ingeniosa en que los científicos han utilizado las observaciones para extraer conclusiones sobre el universo es una historia apasionante que vamos a ir visitando.

Las huellas de la materia oscura

En 1821, Alexis Bouvard detectó anomalías en la órbita de Urano, el planeta más lejano conocido en aquellos tiempos. En apariencia, su movimiento contradecía la ley de Newton, que tantos éxitos había tenido. Bouvard sugirió que los extraños movimientos se debían a la influencia gravitatoria de algún otro cuerpo aún sin descubrir. En la década de 1840 los matemáticos Adams y Le Verrier, de forma independiente, calcularon la órbita de un octavo planeta que podía ser responsable de las desviaciones de Urano. Y en 1846 el astrónomo J. G. Galle descubrió el nuevo planeta, que sería bautizado como Neptuno, casi en el lugar exacto predicho por Le Verrier.

Esta historia es semejante a la que está sucediendo ahora mismo con la materia oscura. Ya en los años veinte y treinta del siglo XX, Jeans, Kapteyn y Oort (por separado) señalaron que las estrellas exteriores de la Vía Láctea se movían con velocidades “excesivas”, teniendo en cuenta la fuerza gravitatoria que ejercía sobre ellas la materia visible (luminosa) de la galaxia. Por ello, sugirieron alguna forma de materia oscura en la Vía Láctea que proporcionara una fuerza gravitatoria extra. No se pensaba en ese momento en la materia oscura tal y como la entendemos ahora, sino más bien en estrellas poco o nada luminosas, o en gas y polvo interestelar. En 1933, Fritz Zwicky publicó un trabajo pionero en el que investigaba las velocidades de las galaxias (no de las estrellas individuales) del cúmulo de Coma: un grupo de unas 1.000 galaxias ligadas por fuerzas gravitatorias. Zwicky encontró que la velocidad promedio de las galaxias era 10 veces mayor que la esperada. En otras palabras, la atracción gravitatoria debida a la masa visible de las galaxias no bastaba para mantener el grupo unido. Si fuera sólo por esa masa, el cúmulo de Coma debería haberse deshecho hacía mucho tiempo, igual que, al girar violentamente un paraguas mojado, las gotas de agua salen disparadas. Es exactamente lo que le sucedería a nuestro sistema solar si los planetas multiplicaran por 10 sus velocidades: todos se saldrían de sus órbitas y escaparían de la atracción del Sol. Esto condujo a que Zwicky propusiera la existencia de una enorme cantidad de “materia oscura” (nuevamente en el sentido de no-luminosa), que pro­porcionara la atracción gravitatoria extra que se requería. Volviendo a nuestra primera historia, del mismo modo que los extraños movimientos de Urano revelaron la existencia de Neptuno antes de que fuera observado, los movimientos anómalos de las estrellas y las galaxias revelaban la existencia de una materia oscura aún sin detectar.

A pesar de que, visto desde la perspectiva actual, el trabajo de Zwicky era convincente, lo cierto es que fue ignorado durante 40 años, para irritación de su autor. Las primeras indicaciones sistemáticas de la presencia de materia oscura, tomadas finalmente en serio por la comunidad científica, datan de los años setenta. En 1975, la joven astrónoma Vera Rubin, junto con Kent Ford, presentó el sorprendente descubrimiento de que las estrellas de la periferia de las galaxias se movían con velocidades muy parecidas, independientemente de su distancia del centro de la galaxia. Para entender lo chocante de esta observación, pensemos por un momento en nuestro sistema solar. A partir de la ley de Gravitación Universal de Newton, se puede deducir la velocidad v de un planeta orbitando circularmente a una distancia r de una gran masa M (la masa del Sol). El resultado es:

donde G es la constante de gravitación de Newton. El punto importante para nosotros es que, al estar r en el denominador, las velocidades de rotación de los planetas van disminuyendo a medida que nos alejamos del Sol. Esto está ilustrado en esta pequeña tabla, con las distancias al Sol de algunos planetas y sus velocidades, que se ajustan perfectamente a la predicción de la ley de Newton.

Supongamos ahora que descubrimos un sistema planetario semejante al nuestro, orbitando alrededor de otra estrella, pero, al medir las velocidades de los planetas, encontramos que todos se desplazan aproximadamente con la misma rapidez, independientemente de su distancia a la estrella. Esto sería sorprendente. ¿Qué podríamos deducir de una observación así? Habría dos posibilidades: o bien la ley de Newton no sería válida en ese hipotético sistema solar, o bien habría un gran halo de materia no visible alrededor de la estrella. De este último modo, la masa central M, que atrae a cada planeta, iría aumentando con la distancia, compensando la r del denominador en la ecuación de arriba. Esto es semejante a lo que sucede con la Tierra y su atmósfera. Nosotros sentimos la atracción de la gran esfera terrestre que está bajo nuestros pies. Sin embargo, un objeto situado a 20 kilómetros de altura siente la atracción de una masa ligeramente mayor, ya que el “halo atmosférico” completo está también bajo sus pies, atrayéndolo. En el caso de la Tierra, la atmósfera aporta muy poco porcentaje de masa, y el efecto es muy pequeño, pero existe. En nuestro sorprendente sistema solar imaginario, una gran “atmósfera” de materia invisible alrededor de la estrella haría que el crecimiento de M con la distancia fuera importante, compensando así el alejamiento del planeta y permitiendo que la velocidad de los planetas fuera siempre la misma3.

Una situación así es exactamente la que encontraron Rubin y Ford al estudiar las velocidades de estrellas individuales a distancias diversas del centro de las galaxias. Dichas velocidades están esquemáticamente representadas en este gráfico para una galaxia típica.

La curva A representa lo que esperaríamos si la galaxia sólo contuviera materia ordinaria (fundamentalmente estrellas —con sus planetas—, y también una cierta cantidad de gas y polvo). La velocidad de rotación debería disminuir con la distancia, como sucede con los planetas de nuestro sistema solar. La curva B representa lo que realmente se mide: la velocidad de rotación de las estrellas depende muy poco de la distancia, sugiriendo la existencia de un gran halo de materia oscura que rodea la galaxia en todas las direcciones, en analogía con el anterior sistema solar imaginario. Las observaciones de Rubin y Ford han sido confirmadas en muchas ocasiones y con muchas galaxias distintas. Se podría objetar que la ecuación de arriba sólo sirve para órbitas circulares, y que las estrellas pueden estar siguiendo órbitas elípticas. Pero, para una órbita elíptica, la ecuación sigue siendo válida en promedio. Como las observaciones se hacen sobre muchas estrellas, la ecuación es estadísticamente válida y el argumento también.

Este método de explorar la materia oscura es potente, pero tiene limitaciones: sólo podemos estudiar la distribución de materia oscura hasta distancias del centro de la galaxia donde haya estrellas orbitando. Como a distancias muy lejanas apenas hay estrellas, no se puede deducir la forma completa del halo de materia oscura. Pronto veremos otros métodos que permiten salvar esta dificultad.

Una hipótesis conservadora

En la sección anterior hemos establecido un paralelismo entre el caso de Neptuno y el de la materia oscura. Resulta interesante pensar un poco más sobre las semejanzas entre las dos historias, y también sobre las diferencias.

Cuando se observaron las anomalías en el movimiento de Urano, se podría haber pensado que se debían a que la ley de Newton no funcionaba a grandes distancias del Sol (recordemos que Urano era el planeta más lejano conocido). Sin embargo, Bouvard, Adams y Le Verrier formularon una hipótesis más conservadora para explicarlas: la existencia de un nuevo planeta, aún no descubierto. Renunciar a la ley de Newton, o corregirla, hubiera sido un salto conceptual mucho mayor. La ley de New­ton se consideraba entonces una ley básica de la naturaleza. Por supuesto, en ciencia no hay nada sagrado y las leyes básicas se han de modificar cuando las observaciones experimentales así lo exigen. Pero eso supone una revolución científica. A su lado, la hipótesis alternativa de un nuevo planeta es sumamente inocente. La hipótesis de la materia oscura está exactamente en la misma línea: es la más conservadora posible. La alternativa sería suponer que la ley de Newton no funciona a escalas galácticas.

¿Es la actitud conservadora la más correcta o “científica”? Ciertamente, la historia enseña que muchos fenómenos aparentemente contradictorios con las leyes físicas conocidas en su momento pudieron ser finalmente entendidos sin modificar dichas leyes, una vez se tuvieron en cuenta factores no considerados previamente (por error o desconocimiento). Por ello, la actitud escéptica suele tender a hipótesis conservadoras. Sin embargo, la ciencia no es sólo escepticismo, sino también audacia e imaginación. Y a veces los fenómenos extraños han supuesto realmente una señal de que las leyes físicas “vigentes” debían ser revisadas. Un ejemplo de esto nos lo da otro planeta del sistema solar: Mercurio. A comienzos del siglo XX se sabía que la órbita de Mercurio no era estable (como predice la ley de Newton), sino que presentaba una extraña precesión: el punto más alejado de la órbita se iba desplazando ligerísimamente a cada nueva vuelta del planeta. El desacuerdo con la teoría era minúsculo, semejante a una aguja horaria que se retrasara un segundo cada 70 años. Se podía suponer, conservadoramente, que las diminutas perturbaciones de Mercurio se debían a las fuerzas gravitatorias ejercidas por otros objetos del sistema solar, tal como sucedió con Urano. Pero resultó que se debían a que la ley de Newton no era exacta. Para entender las anomalías fue necesaria una nueva teoría, la Relatividad General de Einstein (1915), que corregía la teoría de Newton y daba cuenta exactamente del movimiento de Mercurio, tal como demostró el propio Einstein. Para Mercurio, la hipótesis audaz fue la correcta, y comprender su misterioso movimiento exigió dar un paso de gigante en nuestra comprensión básica de la naturaleza.

Volviendo a nuestro caso, los movimientos anómalos de estrellas y galaxias pueden deberse a la existencia de grandes cantidades de materia oscura (ésta es la hipótesis conservadora)..., o bien a que la ley de Newton falla clamorosamente a grandes distancias, lo cual implicaría una revolución de las bases de la física4. De hecho, ambas alternativas han sido consideradas en profundidad dentro de la comunidad de físicos, y ésta es realmente la situación más eficaz. Hay que tener en cuenta que los científicos no formulan sus hipótesis siguiendo ninguna consigna, sino con total libertad y siguiendo su propia intuición. Al haber distintas actitudes e hipótesis compitiendo, acaba prevaleciendo la que es más potente para explicar y predecir las observaciones (que al final son las que inclinan la balanza en favor de alguna de ellas). Pronto veremos que la alternativa de modificar las leyes de la gravitación difícilmente puede explicar todas las observaciones, por lo que la hipótesis de la materia oscura es, sin duda, la más plausible.

Una diferencia entre el caso de la materia oscura y el de Neptuno es que la materia oscura no es una hipótesis tan inocente como la de un nuevo planeta. La materia oscura es un descubrimiento mucho más importante que el de Neptuno. Para empezar, representa la mayor parte de la materia de una galaxia (y del universo). Y, además, como veremos, no puede tratarse de materia ordinaria (al contrario que Neptuno). O sea, ¡al final la materia oscura también exige “nueva física”! Otra diferencia, la más importante por ahora, es que Neptuno fue efectivamente descubierto y la materia oscura aún no ha sido detectada directamente. Más adelante mencionaremos los intentos que se están realizando para conseguirlo. Pero hay que decir que, a pesar de esta carencia, las evidencias a favor de la materia oscura son abrumadoras. A falta de una detección directa, la materia oscura revela su presencia indirectamente, pero tozudamente, en ámbitos muy distintos y de formas muy diversas. A continuación repasamos algunas de estas evidencias complementarias.

Cúmulos de galaxias

Hemos mencionado que ya en los años treinta Zwicky señaló que el cúmulo de Coma debía de tener mucha más materia que la aparente para que las galaxias que lo forman se mantuvieran unidas. En la actualidad, las medidas del movimiento de galaxias en cúmulos son mucho más precisas y abundantes, y, efectivamente, todas conducen a la necesidad de materia oscura para que dichos cúmulos sean estables. En realidad, hoy sabemos que la contribución de las galaxias al total de materia ordinaria de un cúmulo galáctico es muy pequeña. En los grandes cúmulos, como el de Coma, esa contribución es —típicamente— del 7%. El resto de la materia ordinaria está en forma de gas caliente, ocupando el espacio intergaláctico. Este gas es fundamentalmente hidrógeno y helio, y más adelante nos referiremos a su origen. En los años treinta no era posible observarlo, pero en la actualidad sí puede hacerse gracias a la emisión de rayos X que produce. El estudio de esta emisión permite además determinar la abundancia del gas y la temperatura a la que se encuentra. Esto está ilustrado en la figura 2: una foto del gran cúmulo de galaxias Abell 1689, que se encuentra a 2.200 millones de años luz. En él vemos cientos de galaxias y una especie de nube violeta que las envuelve.

Esa nube es una imagen en falso color de la emisión en rayos X del cúmulo, es decir, una “radiografía” del mismo, que muestra la gran nube de gas intergaláctica. El gas se encuentra a 100 millones de grados (ésa es la razón por la que emite rayos X) y contiene mucha más masa que las galaxias individuales, tal como hemos dicho antes.

Sin embargo, aun teniendo en cuenta el gas intergaláctico, la materia ordinaria de los cúmulos no sería suficiente por sí sola para evitar que las galaxias escapen de los mismos. La situación es semejante a la que encontrábamos en las galaxias individuales al examinar las velocidades de las estrellas periféricas. En ambos casos hace falta una enorme componente de materia oscura para mantener los sistemas ligados. El “reparto” de masa entre los distintos tipos de materia en un gran cúmulo típico es: 85% de materia oscura, 14% de gas caliente y 1% de estrellas. Y, grosso modo, éste es también el reparto en el universo como un todo (no estamos considerando en este reparto a la energía oscura).

¿Por qué está tan caliente el gas de un cúmulo de galaxias? La temperatura es una manifestación de la agitación de los átomos que componen una sustancia. A mayor agitación (es decir, a mayores velocidades de los átomos), mayor temperatura. Los átomos de gas en un cúmulo se mueven a enormes velocidades, debido precisamente a la atracción gravitatoria que los acelera. Por ello, el gas está a una gran temperatura. Esto no quiere decir que, si saliéramos al espacio intergaláctico, fuéramos a encontrar una “atmósfera” muy caliente. El gas, aunque muy caliente, está extraordinariamente diluido, por lo que ni siquiera notaríamos su presencia. Lo que percibiríamos es un espacio intergaláctico extremadamente vacío y a una temperatura bajísima, cercana al cero absoluto de temperaturas.

La nube de gas de un cúmulo de galaxias nos da, de hecho, otra prueba adicional de la presencia de materia oscura. A los átomos del gas caliente les pasa exactamente igual que a las galaxias: van tan rápido que la atracción de la masa ordinaria del cúmulo (incluyendo al propio gas) no podría retenerlos. La nube de gas debería haberse evaporado. Pasaría algo parecido a lo que sucede en la Luna. Ésta no tiene atmósfera porque, debido a su pequeña masa, la atracción gravitatoria que produce no es suficiente para atrapar gas a la temperatura reinante en su superficie, originada en este caso por la radiación solar. La Tierra sí posee masa suficiente, de ahí que tenga una atmósfera. Pues bien, en los cúmulos galácticos la masa de la materia ordinaria no es, ni de lejos, suficiente para mantener atrapada su “atmósfera” de gas caliente. Ahí debe haber más masa y ésa es la materia oscura. Es interesante que las estimaciones de la cantidad de materia oscura en un cúmulo a partir del movimiento de las galaxias y a partir de la temperatura de la nube de gas sean consistentes entre sí, lo que da solidez complementaria a estas evidencias en favor de la materia oscura.

Lentes gravitacionales

Hemos mencionado que la teoría de la gravedad de Newton fue reemplazada a comienzos del siglo XX por la Teoría de la Relatividad General de Einstein. En la mayoría de los ejemplos prácticos, las predicciones de ambas teorías son indistinguibles, pero hay casos interesantísimos en las que difieren. En esas ocasiones, la naturaleza siempre ha escogido comportarse de acuerdo con la teoría de Einstein. Anteriormente, cuando mencionamos la precesión de la órbita de Mercurio, nos encontramos con uno de estos casos. Otro caso importante es el comportamiento de la luz al pasar cerca de una gran masa. La Relatividad General predice que los rayos de luz se han de curvar, de forma análoga a como lo hace la trayectoria de un objeto material, por ejemplo un asteroide. Esto está ilustrado en el siguiente dibujo:

La teoría da una predicción precisa de cuánto se ha de curvar el rayo de luz, dependiendo de la masa que lo atrae. Esta consecuencia asombrosa de la Relatividad General se comprobó por vez primera aprovechando un eclipse de Sol en 1919, un acontecimiento científico que, por cierto, tuvo una gran resonancia popular. En el dibujo anterior vemos la trayectoria de un asteroide al pasar cerca del Sol. Su trayectoria se curva debido a la atracción gravitatoria. La línea discontinua representa un rayo de luz emitido por una estrella lejana. Su trayectoria también se curva. De este modo, la luz de una estrella, que en principio está tapada por el Sol, puede llegar hasta un observador en la Tierra. Una comprobación de este fenómeno ha de hacerse durante un eclipse total de Sol, para que la luz de la estrella sea distinguible sobre el fondo oscuro. En todos los casos estudiados, las observaciones se han ajustado siempre con precisión a las predicciones de la teoría.

Naturalmente, si la masa del Sol fuera mayor, la curvatura producida en el rayo sería más acusada. Consideremos ahora un cúmulo de galaxias muy masivo. Al igual que el Sol, este cúmulo curvará los rayos de luz provenientes de objetos muy lejanos, por ejemplo galaxias muy distantes situadas “detrás” del cúmulo. El fenómeno ha sido repetidamente observado y es muy espectacular. Esto no sólo nos da otra prueba más de la teoría de Einstein, sino que nos permite determinar la masa total del cúmulo en cuestión, estudiando cuánta es la curvatura que produce en los rayos. Este efecto se llama de “lente gravitacional”, ya que provoca una acción en los rayos de luz parecida a la que produce la lente de una lupa común o una esfera de cristal. Se puede apreciar en este dibujo esquemático:

Notemos en este dibujo que el observador ve llegar la luz de la galaxia por dos direcciones distintas. Por tanto, ve dos imágenes separadas de la galaxia distante. En general, la lente gravitacional produce imágenes múltiples y distor­sionadas de las galaxias lejanas. Típicamente, objetos aparentemente puntuales pueden ser deformados en forma de múltiples arcos. Nuevamente, el efecto es parecido al que produciría una gran esfera de cristal. Una ilustración de este fenómeno puede observarse en la figura 2, que muestra el gran cúmulo de Abell 1689. Mirando con atención se pueden observar arcos, que corresponden a imágenes múltiples y distorsionadas de galaxias muy distantes, situadas muy por detrás del cúmulo. Otra demostración espectacular del efecto de lente gravitacional se puede apreciar en la figura 3. En ella vemos el cúmulo 0024+1654 y las imágenes múltiples que produce de una galaxia mucho más lejana (en azul).

El punto importante para nosotros es que, examinando estas imágenes, es posible realizar un mapa tridimensional de la distribución de masa en el cúmulo causante de las mismas. Y nuevamente se encuentra que en el cúmulo hay mucha más masa que la aparente. Si fuera sólo por las estrellas de las galaxias y el gas intergaláctico, el efecto de lente gravitacional sería mucho menor. Estas imágenes confirman la presencia de una materia invisible (materia oscura), que es la principal responsable del efecto. Además, las estimaciones de la cantidad de materia oscura a partir del estudio de este fenómeno son plenamente consistentes con las realizadas a partir de los movimientos de galaxias individuales y a partir de la nube de gas caliente. Todo ello refuerza enormemente la hipótesis de la materia oscura.

El fenómeno de lente gravitacional puede observarse también en galaxias individuales. En todos los casos, además de dar una prueba elegante de la presencia de materia oscura, permite examinar su distribución en zonas donde no hay materia visible moviéndose (estrellas periféricas o gas). De este modo, se ha podido estudiar la forma completa del halo de materia oscura de las galaxias, hasta regiones muy alejadas del centro de las mismas.

El cúmulo de la Bala

Para terminar, por el momento, nuestra lista de evidencias a favor de la materia oscura, vamos a discutir brevemente una observación reciente (2006) de gran importancia. Hemos men­cionado la posibilidad alternativa de no postular ninguna materia oscura, sino modificar las leyes de la gravitación a grandes distancias. Sin embargo, el llamado cúmulo de la Bala (Bullet Cluster) arroja pistas en contra de esta opción.

El cúmulo de la Bala se trata, en realidad, de dos cúmulos de galaxias en proceso de choque. Es, por tanto, una colisión de sistemas colosalmente grandes (recordemos el tamaño descomunal de una sola galaxia individual). El choque no es sólo gigantesco en la escala espacial, sino también en la temporal: los cúmulos en cuestión llevan cientos de millones de años atravesándose. En la figura 4 vemos una foto del cúmulo de la Bala. En ella observamos dos manchas de color rosado, que son la imagen en rayos X del sistema. Esas manchas son, por tanto, las nubes de gas caliente de los dos cúmulos, que se alejan del centro, después de haberse atravesado una a la otra. Como de costumbre, hay mucha más masa ordinaria en ese gas caliente que en las galaxias individuales.

La velocidad de estas nubes es extraordinaria. Por ejemplo, la nube de la derecha se aleja a 4.500 kilómetros por segundo del centro del sistema. Además, tiene una forma que recuerda a una bala atravesando el aire, lo que ha dado nombre al conjunto. El primer punto importante que se debe notar es que la mayoría de las galaxias de los dos cúmulos están más alejadas del centro que las correspondientes nubes de gas (lo que es especialmente visible en el cúmulo de la izquierda). Esto es lógico. Las galaxias de un mismo cúmulo están muy separadas unas de otras. Si fuera sólo por ellas, los cúmulos se podrían atravesar sin apenas interaccionar, como los transeúntes en una avenida casi desierta prosiguen su camino sin chocar con los escasos transeúntes que circulan en sentido contrario. Sin embargo, las nubes de gas sí sufren una fricción entre ellas. Esta fricción, además de elevar la temperatura del gas enormemente, ha provocado que las nubes hayan perdido velocidad, quedando retrasadas respecto a las galaxias, como se observa en la foto. Ésta es una situación singular, en la que las nubes de gas intergaláctico y las galaxias individuales se han separado espacialmente.

Ahora viene el punto crucial: ¿qué ha pasado con la materia oscura? (si es que ésta existe). Para verlo se puede realizar un estudio del comportamiento del sistema como lente gravitacional. Sabemos que esto permite realizar un mapa de la masa total presente, independientemente de su naturaleza. Si uno admitiera la hipótesis de que no hay materia oscura, y en su lugar aceptara alguna modificación de las leyes de la gravitación, entonces el efecto de lente gravitacional (con la intensidad que fuera) debería notarse especialmente en la zona donde hubiera mayor masa, que en ese caso serían las nubes de gas. Sin embargo, eso no es lo que sucede. Un estudio de la distribución de masa, a partir del efecto de lente gravitacional, indica que la mayor parte de la materia está localizada en la misma zona que las galaxias individuales, como se ilustra en la figura 5, donde las nubes azules representan la masa responsable del efecto de lente.

La conclusión es que la mayor parte de la materia (las nubes azules) ha proseguido su camino sin interaccionar, tal como le ha pasado a las galaxias. Esta figura demuestra que la componente mayoritaria de la masa del cúmulo no es el gas (ni las estrellas de las galaxias, que aún suponen menos masa), sino una sustancia distinta. Además, nos da alguna pista sobre la naturaleza de la materia oscura. Concretamente, nos dice que la materia oscura no sólo interacciona poco con la materia ordinaria (excepto por sus efectos gravitatorios), razón por la que no conseguimos detectarla, sino que además la materia oscura interacciona poco entre sí, o al menos no lo hace como un gas ordinario. De lo contrario, no se atravesaría a sí misma con esa facilidad.

El cúmulo de la Bala es, posiblemente, la evidencia más directa que tenemos de la existencia de materia oscura. Es casi una fotografía directa de ella. Y no es el único testimonio de este tipo: el análisis de otros choques de cúmulos galácticos (como el MACS J0025.4-1222) muestra también una separación entre las nubes de gas y la materia oscura, parecida al cúmulo de la Bala.

¿Materia oscura o invisible?

En los epígrafes anteriores hemos hablado indistintamente de materia oscura y materia invisible, pero, por todo lo expuesto, está claro que el término “materia invisible” (o “materia trans­parente”) sería más acertado que el ya establecido de materia oscura.

Esta reflexión trae a la mente las numerosas ocasiones en las que el cine ha tratado el tema de la invisibilidad. En la película clásica El hombre invisible (James Whale, 1933), basada en la novela de H. G. Wells, el protagonista descubre un método para volverse invisible (¡que lo convierte también en asesino!). Al final, la policía lo descubre por las pisadas que deja sobre la nieve. Hay un curioso paralelismo entre esa escena y nuestra invisible materia oscura. En ambos casos, la materia invisible se hace notar por sus efectos gravitatorios (el peso del cuerpo invisible es el que produce la huella sobre la nieve). Sin embargo, hay alguna diferencia. Un hombre “hecho de materia oscura” sentiría la atracción de la Tierra como una persona normal..., pero no dejaría huellas. Éstas están producidas, además de por el peso, por la impenetrabilidad de los cuerpos hechos de materia ordinaria. Y esa impenetrabilidad está causada por la interacción (de origen electromagnético) entre las nubes de electrones de los átomos que los componen. Lo que hemos visto es que la materia oscura posiblemente interacciona muy poco con la materia ordinaria, razón por la que nos cuesta tanto detectarla. Por tanto, lo más probable es que un hipotético objeto de materia oscura cayera hacia el centro de la Tierra sin sentir apenas oposición: nuestra materia ordinaria también sería, para él, invisible y casi imposible de detectar.

Existe otro paralelismo entre la escena mencionada y la materia oscura. Un hombre invisible deja un rastro sobre la nieve que puede ser observado mucho después de producirse. Del mismo modo, la materia oscura ha dejado un rastro en la evolución del universo que podemos observar en la actualidad. Es ese rastro el que nos sugiere fuertemente que ha de tratarse de una materia esencialmente distinta a la ordinaria. Pero para poder discutir esto, hemos de realizar primero un viaje a los orígenes del universo.