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El «modelo» de la materia oscura (dark matter).

...Se ha visto más arriba la impresionante lista de problemas relacionados, aunque solo sea con la astrofísica. Las galaxias giran demasiado rápido, por ejemplo. La masa contabilizada es 3 a 5 veces demasiado baja para contrarrestar la fuerza centrífuga. La situación es aún peor para los cúmulos de galaxias. Un problema ya antiguo, pues fue señalado inicialmente por Fritz Zwicky hace décadas.

...¿Cómo salir del paso? ¿Hay que revisar la ley de Newton? Algunos han sugerido simplemente que las galaxias, los cúmulos de galaxias e incluso el universo entero puedan albergar en su seno una masa (que contribuya al campo gravitatorio) que hasta ahora haya escapado a la observación. ¿De qué podía tratarse? Por ejemplo, de estrellas demasiado poco emisoras. Se encontró un nombre para estos objetos: los MACHOS (massive compact halo objects, es decir, objetos compactos y masivos, localizados en el halo de las galaxias: la porción del espacio galáctico situada dentro y fuera del «disco»). Método de detección: ocultación de fuentes situadas en el fondo, esencialmente estrellas. Método: realizar un seguimiento de un muy gran número de estrellas y poner de manifiesto caídas de luminosidad, cuya evolución en el tiempo diferiría de las fluctuaciones correspondientes a las estrellas variables.

Resultados: decepcionantes.

...Otra hipótesis: las «partículas exóticas», por ejemplo neutrinos masivos (dotados de una pequeña masa). Pero no se ha puesto de manifiesto hasta la fecha una posible masa de los neutrinos.

....Otro candidato, querido por la astrofísica Françoise Combes: hidrógeno frío, a muy baja temperatura, por tanto prácticamente inobservable.

...Esta materia oscura permitiría entonces dar cuenta de los fuertes efectos de lente gravitacional, aparentemente relacionados con las galaxias y los cúmulos de galaxias (arcos gravitacionales). Muchos consideran estos efectos como una «prueba irrefutable» de la existencia de esta materia no detectada.

...Es entonces posible dar cuenta de cualquier cosa y de cualquier otra cosa espolvoreando hábilmente el universo con materia oscura, en los lugares adecuados. Se trata pues de una teoría perfectamente ad hoc. Algunos ni siquiera se preocupan de justificar el origen de este componente, su naturaleza, su origen, ni siquiera de describir su dinámica, contentándose con decir que se trata de una nueva astronomía, «donde ahora se cartografía lo invisible». Hay equipos trabajando, que han emprendido la tarea de elaborar mapas de la distribución de materia oscura.

...Esta permite atar la estructura a gran escala del universo, y así «justificarla». En otros lugares se produce una distribución de materia oscura que permite no solo justificar la cohesión de las galaxias, sino también la forma de sus curvas de rotación. Todo esto se publica abundantemente y sin problemas (Astrophysical Journal, Astronomy and Astrophysics, etc...). Se distingue allí la «materia oscura fría» y la «materia oscura caliente».

Ciertas especulaciones parecen pues «lícitas».

La cuestión de la constante cosmológica y la edad del universo.

Situemos primero su origen. Dotado de su ecuación de campo:

S = c T

...Einstein buscó inmediatamente construir un modelo de universo (1917). Pero como ignoraba que este era no estacionario, buscó construir un modelo estacionario. Se topó entonces con numerosos problemas y fue a visitar al matemático francés Elie Cartan, quien le declaró:

• Se puede modificar su ecuación. Le propongo:

S = c T -Lg

donde g es el tensor métrico y L una constante. Así la ecuación sigue siendo bien tensorial y su solución siempre invariante por cambio de coordenadas.

• Pero, ¿cuál es la significación física de esta constante L?

• Eso, querido, es su problema. Yo soy matemático.....

A partir de una ecuación de campo, situándose en la hipótesis donde la curvatura es débil y las velocidades de agitación térmicas son débidas frente a la velocidad de la luz c, se puede recuperar la dinámica newtoniana. La fuerza de Newton se dota entonces de un término correctivo:

...Este término correctivo era así proporcional a la distancia. La denominación «poder repulsivo del vacío» se utiliza corrientemente (o atractivo, todo depende del signo elegido para esta constante arbitraria L).

...Este poder repulsivo del vacío era la clave de bóveda que permitía al universo estacionario de Einstein conocer un equilibrio (inestable, por otra parte). Pero, muy pronto:

• El descubrimiento de Edwin Hubble puso de manifiesto un corrimiento al rojo z, asimilado a un movimiento general de expansión cósmica (Efecto Doppler). Así pues, adiós al modelo de universo estacionario.

• El ruso Friedmann sacó al mismo tiempo las soluciones no estacionarias de la ecuación de campo, sin constante cosmológica.

Insatisfecho, Einstein se retiró bajo su tienda diciendo:

• Si hubiera sabido que el universo era no estacionario, ¡lo habría encontrado antes que Friedmann!

...Esta constante cosmológica cayó entonces en un casi olvido durante décadas. Algunos avanzaron argumentos que abogaban por su necesaria nulidad. El hecho es que, refiriéndose a acciones a muy grandes distancias, solo hacía sentir su acción de manera tardía, cuando la dimensión característica R(t) del universo había alcanzado «un valor suficiente».

...Las mediciones de corrimiento al rojo, de velocidad radial de las galaxias, permiten calibrar la ley de Hubble, que se deduce de la solución de la ecuación de campo y que dice simplemente:

La velocidad de huida es proporcional al corrimiento al rojo z

La constante de proporcionalidad se llama constante de Hubble Ho.

....Un paréntesis para quienes lo ignoren. Un átomo, en el laboratorio, inmóvil respecto al aparato de medición, emite por ejemplo una radiación correspondiente a una longitud de onda l. Por efecto Doppler, el mismo átomo, en movimiento, dará una longitud de onda: l' = l + D l

Se plantea:

Si D l es positivo: la fuente se aleja: corrimiento al rojo.

Si D l es negativo, la fuente se acerca: «corrimiento al azul».

La constante de Hubble aparece igualmente en la ley de expansión R(t) en función del tiempo:

...Se sabe que hay en realidad tres modelos de Friedmann, que solo difieren por la descripción que dan del futuro lejano del cosmos.

En el esquema siguiente, donde se supone estar «bastante lejos» de este futuro lejano del universo, las tres curvas están confundidas.

...Por tanto, el conocimiento de la ley de expansión cósmica, de la constante de Hubble, permite inmediatamente, según este modelo (a constante cosmológica nula), deducir la edad del universo.

...Imaginemos que tomamos una fotografía instantánea de la explosión de una granada. El tiempo de exposición daría cierto desenfoque a los objetos, lo que permitiría evaluar su velocidad, y por tanto calcular, examinando una simple foto, el momento en que comenzó la explosión. La explosión cósmica es desde luego diferente de la explosión de una granada, por su dinámica, puesto que la fuerza de gravitación, al frenar la expansión, la ralentiza progresivamente.

...Los objetos del cosmos están animados de movimientos propios, a la manera de las moléculas de un gas, que están animadas de un movimiento de agitación térmica. Se habla por otra parte de «fluido cosmológico», un «gas» cuyas moléculas serían las galaxias.

...Para poder evaluar la constante de Hubble había pues que asentar las mediciones sobre objetos suficientemente lejanos, y por tanto animados de velocidades suficientemente fuertes para que estas excedieran el valor medio de la velocidad de agitación de una galaxia en su cúmulo (del orden de 500 a 1000 kilómetros por segundo).

...El problema seguía siendo la evaluación de la distancia. Ver una galaxia en una fotografía es una cosa, evaluar su distancia es otra. Para ello hay que conocer su magnitud absoluta, la cantidad de luz que se supone que emite. Durante mucho tiempo los astrónomos no estuvieron de acuerdo sobre la evaluación de esta constante de Hubble (en esta materia, un gran contestatario fue el astrónomo francés de Vaucouleurs, que trabajaba en EE. UU.).

...Las estrellas más viejas de nuestra propia galaxia pertenecen a los cúmulos estelares, como el cúmulo de Hércules. Hasta ahora los astrónomos estaban todos de acuerdo en situar su edad máxima alrededor de 15 mil millones de años (pero algunos llegaban incluso hasta 20 o incluso 22....). Todo el juego consistía entonces en ajustar la evaluación de Ho para no alejarse demasiado de esta edad de las estrellas más viejas.

...En 1993 los astrónomos pudieron, con ayuda del telescopio espacial Hubble, observar cefeidas en galaxias extremadamente distantes (55 y 48 millones de años luz). La cefeida es el patrón de distancia por excelencia, puesto que se supone conocer la ley que liga su período de fluctuación y la cantidad de luz que emiten, su magnitud absoluta (ley de Henrietta Leavitt, 1912). Midiendo, con ayuda del telescopio, su magnitud aparente, se deduce su distancia.

...Las mediciones efectuadas sobre galaxias, en 93-94, dividieron casi por dos la distancia que se había estimado hasta entonces. De golpe, la edad del universo caía a 8 o 9 mil millones de años y este se volvía ... más joven que las estrellas que contenía. Y la revista Nature, en 1994, concluía «habrá que volver a poner el modelo sobre el tapete».

...Desde entonces, han intervenido dos hechos nuevos. La ley sobre las cefeidas, para ser explotable, debe ser calibrada. Si se admite que existe una relación entre el período de estas estrellas variables y su magnitud absoluta, la cantidad de luz que emiten, aún hace falta disponer de mediciones de distancias independientes. Estas son proporcionadas por el método de la paralaje, de Bessel. Se sirve uno del desplazamiento estacional de la Tierra alrededor del sol, tomando dos posiciones diametralmente opuestas. Para una estrella dada, relativamente cercana, frente a un fondo de estrellas muy distantes, en las dos épocas del año se tendrán dos posiciones diferentes, correspondientes a cierto desvío angular Dq.

...Este método tiene sus límites. Cuanto más distante es la estrella, mayor es el margen de error. Las mediciones en distancias fueron recalibradas recientemente utilizando el satélite Hipparcos. Según los especialistas, el análisis de los datos aportados por el satélite habría conducido a una revisión de las distancias estimadas para las cefeidas que sirven clásicamente para la calibración de la ley, aumentando su distancia en un factor de 1,2 a 1,4. Así, las galaxias en las que el satélite Hubble había detectado cefeidas «no estaban tan cerca», por tanto el universo «no era tan joven». Por su parte, quienes evaluaban la edad de las estrellas más viejas de los cúmulos estelares de nuestra galaxia hicieron serios esfuerzos a la baja y «todo vuelve a la normalidad», estiman algunos.

Admitámoslo...

...La otra solución «clásica» consiste, como hizo Lachièze-Rey, en sacar, con urgencia, la constante cosmológica L de la naftalina. Dotada del signo correcto (poder repulsivo del vacío), esta tiene por efecto relanzar la expansión:

La ley:

deja pues de ser válida, o proporciona una edad más corta. En realidad, a través de este modelo «de geometría variable» se puede siempre elegir un valor de L que encaje con cualquier valor de la edad del universo, por ejemplo la de sus estrellas más viejas. Algunos llegaron incluso a decir que esto daba simplemente una medida de L.

...La disputa que divide a los astrónomos respecto a la edad del universo parece lejos de extinguirse. Entre los optimistas que, apoyándose en un reciente recalibrado de las cefeidas, dilatan el conjunto del universo cercano (como por ejemplo la distancia de la galaxia de Andrómeda) y admiten una reevaluación a la baja de la edad de las estrellas más viejas, y los alarmistas, que piensan que las mediciones de Hubble plantean un problema real, ¿qué posición adoptar?

La de una espera prudente, sin duda.

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