El grup d’investigació en Cosmologia Computacional del Departament d’Astronomia i Astrofísica de la Universitat de València acaba d’aportar noves pistes per a l’observació i quantificació de la matèria fosca en l’Univers. El treball estableix les bases teòriques per a la cerca d’un nou efecte observacional: la relació entre la intensitat dels xocs d’acreció i la quantitat de matèria fosca. La idea proposada suposa, segons l’article publicat per aquest equip científic en Nature Astronomy, una nova restricció al model cosmològic actual.

La matèria fosca és una peça clau del model cosmològic per a la comprensió de l’Univers. Dins del paradigma actualment acceptat, la naturalesa física del 85% de la matèria de l’Univers és un misteri, ja que no és possible veure-la ni detectar-la de manera directa. Per això es denomina ‘matèria fosca’. Entretant, els mètodes indirectes de detecció vigents presenten importants incerteses. Ara com ara, la matèria fosca s’identifica a partir de la força gravitatòria que aquesta exerceix sobre la matèria ordinària, que s’observa i es mesura mitjançant l’ús de telescopis i altres eines de l’astrofísica.

El mètode proposat per l’equip de la Universitat de València (UV) part de l’anàlisi d’una simulació computacional que abasta gran volum de l’Univers, incloent-hi els cúmuls de galàxies i les gegantesques ones de xoc produïdes durant la seua formació, és a dir, els anomenats ‘xocs d’acreció’. Concretament, el treball demostra que la massa total dels cúmuls, el radi del xoc d’acreció i la intensitat d’aquest es troben estretament relacionats. “Aquestes ones de xoc són conseqüència de la forta desceleració i subsegüent calfament de la matèria ordinària, que aconsegueix velocitats supersòniques a causa de l’acció gravitatòria generada per la matèria fosca”, explica el físic David Vallés Pérez, investigador del programa ‘Atracció de Talent’ de la UV, en el Departament d’Astronomia i Astrofísica, i primer autor de l’article. “El mètode que proposem permetrà mesurar la massa total del cúmul, un 85% de la qual sabem que correspon a matèria fosca”, afig Vallés.

Així, el resultat d’aquest treball obri les portes a l’establiment d’un nou mètode científic, més precís i de confiança, per a l’estudi de la matèria fosca, un factor fonamental per al model cosmològic del Big bang. “Malgrat el repte que suposa mesurar les propietats del gas al voltant de les ones de xoc més externes, algunes dades preliminars permeten esperar que, en els pròxims anys, diferents projectes observacionals en raigs X i ones mil·limètriques aconseguisquen mesurar el radi i la intensitat dels xocs d’acreció per a un gran nombre de cúmuls de galàxies”, comenta Susana Planelles, professora titular del Departament d’Astronomia i Astrofísica, codirectora de l’estudi i cosignatari del paper. “I aquestes mesures directes permetran aplicar el mètode que proposem per a estimar el contingut de matèria fosca dels cúmuls”, afig la investigadora pertanyent al grup de Cosmologia Computacional responsable de la investigació.

Per a desenvolupar aquest estudi, l’equip s’ha servit del supercomputador ‘Lluís Vives’, un sistema híbrid de memòria compartida i distribuïda amb més de deu mil nuclis de càlcul, que forma part de la xarxa de supercomputació de la Universitat de València. “Les simulacions cosmològiques juguen el paper de grans laboratoris virtuals en els quals recrear i estudiar els diferents processos físics que determinen la formació i evolució de l’Univers. En aquest sentit, les simulacions han sigut una eina clau per a l’avanç de la nostra visió del Cosmos”, explica Vicent Quilis, catedràtic d’Astronomia i Astrofísica, responsable del grup de Cosmologia Computacional i cofirmant del treball.

Els resultats d’aquest estudi es desprenen de la tesi doctoral en curs de David Vallés –dirigida per Vicent Quilis i Susana Planelles– i suposaran, segons l’article, una nova restricció al model cosmològic actual, que estima en un 85% la quantitat de matèria fosca de l’Univers. “Esperem que l’aplicació del mètode que descrivim permeta utilitzar tota una nova generació de dades observacionals molt útils per a determinar els components de l’Univers i contribuir, per consegüent, a millorar el model cosmològic que ens ajuda a entendre la formació i evolució del Cosmos”, conclou Vicent Quilis.

Referència:
Cosmic accretion xocs as a tool to measure the dark matter mass of galaxy clústers. David Valles-Pérez, Vicent Quilis and Susana Planelles. NATURE Astronomy 2024. DOI: 10.1038/s41550-024-02303-x.

Llista d’enllaços:

• Vídeo-notícia ‘Buscant la matèria fosca en l’univers’

Un estudi recent sobre la tensió del Hubble, escrit pel premi Nobel de Física de 2011 Adam Riess i col·laboradors, ha llançat pólvora a la metxa d’una polèmica que es cuina al minut al centre neuràlgic de l’astronomia. Riess, que –cal insistir-hi– és un premi Nobel, tanca el treball amb aquesta frase: “Una vegada negats els errors de mesurament, allò que resta és la possibilitat real i apassionant que hàgem entès malament l’univers”. La frase és un tir amb fona.

En molts mitjans es posa l’accent que l’article de Riess manté i reforça la tensió de Hubble. Però l’opinió de molts astrònoms és que els seus resultats són tan ferms que amb aquests la tensió desapareix per donar lloc a una profunda crisi del model cosmològic, el que ens serveix per a explicar el cosmos. El cosmos tal com ens el contem.

L’article utilitza dades sobre l’expansió de l’univers obtingudes pel telescopi espacial James Webb, que confirmen els resultats prèviament aconseguits pel telescopi espacial Hubble (HST) sobre el valor de la constant de Hubble. És a dir, per als dos gegants tot concorda amb allò que s’espera. Però hi ha mesuraments que fins i tot posen els gegants en dubte.

L’expansió de l’univers

Edwin Powell Hubble i els seus col·laboradors, fa a penes cent anys, van ser els primers a revelar que l’univers és més o menys uniforme en totes les direccions i fins allà on els telescopis podien observar. Però també van descobrir que tot el sistema de galàxies estava expandint-se.

Aquell va ser un dels majors descobriments científics de tots els temps: l’equivalent modern a la revolució copernicana. A partir d’aquell moment, els astrònoms van començar a quantificar quant s’expandeix i a quin ritme ho fa, fins a establir la taxa actual d’expansió còsmica. Coneixent aquestes dades, és possible posar data al seu origen i contar la història implícita de l’univers.

La cerca de dos nombres

L’univers és gran, antic i irregular. Durant una gran part del segle passat, físics, astrònoms i cosmòlegs han utilitzat la teoria general de la relativitat d’Einstein i han dut a terme observacions cosmològiques per tractar d’esbrinar com de gran, antic i l’irregular és, a més de dilucidar si l’expansió còsmica continuarà per sempre o revertirà i esclafarà els nostres descendents més allunyats.

En 1970, l’ara difunt astrònom Allan Sandage va escriure un article molt citat en què assenyalava dos nombres que ens acosten a les respostes a aquestes preguntes, en cas que puguem mesurar-los i conèixer com canvien amb el temps còsmic. Aquests nombres són la constant de Hubble, H₀, i el paràmetre de desceleració, q₀.

El primer d’aquests dos nombres indica com de ràpid està expandint-se l’univers. El seu valor actual és la constant de Hubble, denotada per H₀ (per Hubble, que va reunir les primeres dades per a obtenir-ne el valor). Els astrònoms ho mesuren en unitats una miqueta estranyes (quilòmetres per segon per megaparsec, abreujat com a km/s/Mpc).

La discrepància en els mesuraments

Però avui dia tenim dues maneres per a determinar la taxa d’expansió còsmica actual. El mètode directe es basa a mesurar la velocitat de recessió i la distància a la qual es troben un gran nombre de galàxies. La llei de Hubble-Lemaître indica que el seu quocient és la constant de Hubble. Si el valor per a H₀ obtingut d’aquesta manera per Hubble hagués sigut correcte, l’univers tindria una edat de només uns dos mil milions d’anys: seria més jove que la Terra i que molts estels!

Des que es va enunciar fins al present, la relativitat general s’ha mantingut ferma, mentre que la interpretació de les observacions, una gran part pel treball iniciat per Sandage, ha permès incrementar notablement les distàncies estudiades i, en conseqüència, també l’escala de temps còsmic abastada.

Conflicte manifest

Als qui recordem “els vells temps”, quan H₀ era 50 o 100 i les edats de l’univers, 20 o 10 mil milions d’anys, ens va alleujar veure que en 2002 H₀ s’assentava entorn de 72 km/s/Mpc segons els resultats del projecte clau de l’HST liderat per Wendy Freedman. Com a conseqüència, l’edat de l’univers quedava entorn de 13 800 milions d’anys. El valor actual obtingut per Riess i els seus col·legues usant aquest mètode és H₀ = 73,0 ± 1,0 km/s/Mpc.

Però, com hem anunciat, existeix un segon mètode per a obtenir el valor de H₀. Es pot inferir amb molta precisió de l’anàlisi detallada dels mapes del fons còsmic de microones (CMB per les seues sigles en anglès), la radiació romanent del Big Bang que va començar a viatjar fa uns 13 500 milions d’anys.

Les dades aconseguides pels equips científics dels satèl·lits Planck i WMAP s’han analitzat, en combinació amb altres dades cosmològiques, per obtenir els valors de diferents paràmetres que descriuen el nostre univers. Aquests valors per als paràmetres defineixen el que actualment coneixem com a model cosmològic estàndard. Alguns d’aquests estan relacionats amb el segon dels nombres de Sandage, aleshores anomenat paràmetre de desacceleració (el valor de la qual és negatiu si l’expansió còsmica està accelerant-se, com apunten les observacions).

El que fan els cosmòlegs amb aquestes dades és determinar l’estat de l’univers poc després del Big Bang i, fent ús del model cosmològic, predir el que valdrà avui la constant de Hubble. El valor estimat amb aquest mètode és H₀ = 67,4 ± 0,5 km/s/Mpc.

Amb la millora les tècniques d’observació, les barres d’error de tots dos mètodes han anat reduint-se. I, havent-se fet més precises les dues maneres de mesurar H₀, han començat a proporcionar valors significativament diferents. D’aquesta discrepància, se’n diu “tensió de Hubble”: alguna cosa no hi encaixa.

Per trobar la solució, o bé s’invoca una nova física que modifique la relativitat general (que funciona tremendament bé en tota la resta) o bé s’argumenta que alguns dels dos conjunts d’observacions (o la seua interpretació) és incorrecte. O, no cal dir-ho, ambdues coses alhora.

Una cosa més profunda

La visió conservadora és que qualsevol possible explicació hauria de caure dins del marc del nostre model cosmològic estàndard. Per exemple, podria ocórrer que encara no entenguem completament les implicacions de l’estructura a gran escala en què estem immersos, el supercúmul de Laniakea, així com tampoc la nostra proximitat al Buit Local.

Si finalment no es confirmés una explicació tan plausible, ens enfrontaríem a la possibilitat que el nostre model estàndard necessite una revisió fonamental. I aquesta és una apassionant oportunitat per a l’especulació.

En una revisió recent, Licia Verde i els seus col·laboradors recorren aquest mateix camí quan asseguren:

Hem de reconèixer que el model ΛCDM, tot i les seues profundes connexions amb la física fonamental i malgrat tots els seus èxits, és en darrera instància fenomenològic. Estableix un marc sòlid en què, tanmateix, resten qüestions fonamentals sense resoldre. L’energia fosca i la matèria fosca són components ad hoc.

Afirmen que no és desgavellat pensar que, igual que els epicicles o l’èter luminífer en el passat, la matèria i l’energia fosques podrien ser substituïdes per una cosa molt més profunda.

Hi ha molts exemples en la història de la ciència en què han sorgit dilemes d’aquest tipus. En recollim alguns en The Reinvention of Science. Slaying the Dragons of Dogma and Ignorance. Per exemple, en el segle XIX, per a explicar l’excés en el desplaçament del periheli del planeta Mercuri, es van proposar diferents entitats: un planeta dins de l’òrbita de Mercuri que va rebre el nom de Vulcà, un anell d’asteroides que també era intramercurial, un sol prou aplatat, un impuls degut a l’èter, així com desviacions de la llei de la gravetat de Newton als voltants del Sol, com va proposar Simon Newcomb en 1906. Tots aquests “dracs” postulats en el seu moment van ser derrotats pels qui van acceptar la relativitat general d’Einstein en 1917.

La tal cosa “una miqueta més profunda” podria ser, per exemple, que hàgem d’abandonar la suposició que l’energia fosca es distribueix uniformement per tot l’espai. Alternativament, es podria argumentar que la matèria fosca té alguna propietat estranya que actualment desconeixem. La nostra ignorància sobre aquestes dues grans incògnites permet que la nostra imaginació divague lliurement.

I tot això és la raó que hi ha darrere la frase lapidària de Riess: “Una vegada negats els errors de mesurament, allò que resta és la possibilitat real i apassionant que hàgem entès malament l’univers”.

Aquesta frase ens recorda un poc la famosa citació de Sir Arthur Conan Doyle en El signe dels quatre, quan Sherlock Holmes afirma:

“Quan s’ha descartat l’impossible, allò que resta, per improbable que siga, ha de ser la veritat”.

Vicent J. Martínez, Catedràtic d’Astronomia i Astrofísica de la Universitat de València, i membre de l’Observatori Astronòmic de la mateixa institució, Universitat de València; Bernard J.T. Jones, Emeritus Professor, University of Groningen i Virginia L Trimble, Physics and Astronomy, University of California, Irvine

Aquest article es publicà originalment en The Conversation. Llegiu l’original.

L’univers fosc: de què està fet el 95% del cosmos?

Alberto Aparici, és físic i divulgador científic. Va estudiar en la Universitat de València, on es va doctorar, especialitzant-se en física de partícules. En l’actualitat es dedica exclusivament a la divulgació científica. És coordinador de divulgació en l’Institut de Física Corpuscular, un centre mixt de la Universitat de València i el CSIC, i ha col·laborat en tasques docents amb la Universitat de València i amb la Universitat Jaume I de Castelló. Realitza dues seccions de ciència en Onda Cero radio: La Brújula de la Ciencia, en el programa La Brújula, dirigit per Juan Ramón Lucas, i Aparici en Órbita, en Más de Uno, dirigit per Carlos Alsina. Col·labora habitualment amb el pódcast Coffee Break: Señal y Ruido, dirigit per Héctor Socas, de l’Institut d’Astrofísica de Canàries, i és un dels creadors del pódcast De Ignorancia Sí que Sé, centrat en l’ensenyament de les ciències. Forma part també de l’equip de la secció de ciència del diari La Razón.

Ací teniu l’enllaç a la seua secció sobre ciència en Onda Cero.

Des de mitjan segle XX tenim indicacions que no tot el que hi ha en l’univers es pot observar fàcilment. Això no va ser, en principi, una sorpresa, perquè sabem que objectes com a planetes i cometes no emeten llum, i podrien existir en grans números en les galàxies. Però a mesura que passaven les dècades i s’anaven acumulant les evidències resultava cada vegada més clar que gran part del contingut de l’univers era invisible. En la dècada de 1980 s’havia establit que moltes galàxies contenien molta més matèria de la que veiem, i que aquesta matèria era obstinadament transparent: no emetia llum, però tampoc la bloquejava. Aqueixa substància, la naturalesa de la qual encara desconeixem, rep el nom de matèria fosca. En la dècada de 1990 la situació es va agreujar encara més: el descobriment que l’expansió de l’univers s’està accelerant suggeria que gran part de l’energia del cosmos estava en la forma d’una cosa encara més estranya, i la identitat de la qual també se’ns escapa: l’energia fosca. En la xarrada es va recórrer aquest univers fosc i repassar les evidències que ens porten a pensar que aquestes substàncies existeixen. Desentranyar la vertadera naturalesa d’aquestes “substàncies fosques” és un dels grans reptes de la física del segle XXI.

Per cinquè any consecutiu, el CEIC Alfons El Vell amb el Campus de Gandia de la Universitat Politècnica de València (UPV) i la Unitat de Cultura Científica i de la Innovació de la Universitat de València (UV) col·laboren en la Setmana de la Ciència, una iniciativa destinada a fomentar l’interès per la ciència, la tecnologia i la innovació. De dilluns 8 a dijous 11 de novembre a les 19:30h tindran lloc en la Casa de la Cultura de Gandia (2a planta) les ja tradicionals conferències de la Setmana de la Ciència. L’entrada és lliure.

Dilluns 8: 30 anys estudiant la biodiversitat marina, entre Àfrica i l’Antàrtida

A càrrec d’Ana Ramos Martos, de la Universidade de Vigo. Ana Ramos Martos té una extensíssima trajectòria en el terreny de la biologia marina i és l’homenatjada enguany pel Campus UPV Gandia, que li dedicarà un mural obra de l’artista urbà Flug i li posarà el seu nom a un dels seus laboratoris. Més informació ací, en la pàgina de la Setmana de la Ciència del Campus UPV Gandia.

Dimarts 9: Què fa un rar com jo en lloc com aquest? Com ens afecten en el dia a dia les malalties minoritàries

A càrrec de Daniel Pellicer, biotecnòleg especialitzat en biomedicina i divulgador científic. Ací teniu el seu compte de Twitter i el seu canal a Youtube .

Dimecres 10: L’univers fosc: de què està fet el 95% del cosmos?

A càrrec d’Alberto Aparici, responsable de divulgació en l’Institut de Física Corpuscular (CSIC/UV). Ací teniu l’enllaç a la seua secció sobre ciència en Onda Cero.

Dijous 11: De la «grip espanyola» al COVID-19, un segle entre dues pandèmies

A càrrec d’Antoni Arlandis i Francesc Devesa, autors d’un article monogràfic sobre l’impacte local de la pandèmia de 1918 a Oliva en el número 16 de la revista Cabdells (2018) , que aparegué i es presentà just abans de l’esclat de la pandèmia de coronavirus.

La frontera del cel
Tot allò que et cal saber
sobre Tot-el-que-hi-ha
Roberto Trotta

Vicent J. Martínez (Director de la col·lecció), Laura Pérez (Disseny de la coberta), Javier Pérez Belmonte (Disseny de la col·lecció), Ofèlia Sanmartín (Correcció lingüística)-

Editorial: Institució Alfons el Magnànim – Centre Valencià d’Estudis i d’Investigació

La pandèmia causada pel patogen SARS-CoV-2 ha ajornat molts dels nostres projectes vitals des de fa sis mesos. Qui ho diria que un virus invisible a l’ull humà, només detectable amb sofisticats procediments bioquímics, siga capaç de fer inviable la nostra vida tal com la coneixíem fins ara. Però si el més ínfim ens condiciona l’existència, el més gran ens l’ha condicionada des de sempre. L’Univers en què estem immersos ha permés la vida al nostre planeta i fins i tot que una espècie arribe a fer-se preguntes sobre el cosmos i sobre ella mateixa. D’on prové la matèria de la qual estem compostos? Com és de gran l’Univers? Com es mouen les galàxies? Preguntes senzilles en aparença, la resposta de les quals ha dut a les grans troballes de l’astrofísica moderna.

Les dades aportades per la missió espacial Planck determinaren que només el 5% de la matèria de l’Univers és matèria ordinària, protons, neutrons, electrons, etc, partícules de què estan fets tots els objectes visibles de l’univers: cúmuls galàctics, galàxies, estrelles, planetes, humans i fins i tots el maleït SARS-CoV-2.

Però ara sabem que existeix una matèria que no fa llum i que espenta les estrelles, com va descobrir l’extraordinària astrònoma nord-americana Vera Rubin en observar com de ràpides es mouen les estrelles en la perifèria de les galàxies espirals. Aquesta matèria no visible estructura i modula els moviments del gas i de les estrelles en les galàxies i el moviment de les galàxies en els cúmuls de galàxies.

Les dades de Planck ens diuen que aquesta matèria contribueix al 27% del contingut de l’Univers. Però que és aquesta matèria fosca? Quin són els seus elements? Com es comporta? L’explicació a aquestes preguntes encara no ha aconseguit el consens dels científics. A més, les idees subjacents no són fàcils d’entendre.

Roberto Trotta, investigador de l’Imperial College de Londres, ha tractat d’explicar totes aquestes qüestions al públic en general, de la manera més senzilla possible, en l’obra The Edge of the Sky, i ho fa amb una mena d’experiment semàntic, només amb l’ús de les 1000 paraules més freqüents en anglés.

Molta de la divulgació científica actual és, de fet, massa tècnica. Els científics tracten d’explicar el que fan, però moltes vegades no són capaços de rebaixar el nivell massa especialitzat del llenguatge utilitzat per por de no ser prou rigorosos. D’aquesta manera només s’arriba a la gent avesada al llenguatge científic, però gran part de la població en queda exclosa.

Amb l’experiment de Trotta l’aventura per descobrir la matèria fosca es fa més assequible, fins i tot més divertida. Permet acostar-se al públic no tècnic, no especialment avesat a llegir llibres de ciència, i interessar-lo pel gran misteri d’una matèria que no interacciona amb la matèria visible, la comprensió de la natura de la qual serà, n’estic segur, una revolució científica en un futur pròxim.

La versió valenciana de l’obra, La frontera del cel, ha estat editada per la Institució Alfons el Magnànim, en Urània, la nova col·lecció de divulgació científica en la qual és el primer llibre. En una obra tan peculiar en què es juga amb la llengua d’una manera tan primmirada, l’elecció del traductor, l’astrofísic David Galadí-Enríquez, ha estat tot un encert. Amb només 720 paraules, amb la llicència d’acceptar variacions morfològiques normals en una llengua llatina com la nostra, la seua missió no ha estat només traduir sinó adaptar l’obra original. Una tasca dura però de segur que ha estat intel·lectualment estimulant per al traductor. I el resultat final ha estat una obra de lectura fluïda, divertida i sovint poètica, que reflecteix fidelment les pretensions de l’autor.

En aquest experiment radical i, per tant arriscat, d’explicació de la creació, estructura, present i futur de l’univers i sobretot de l’inventari del tipus de matèria i energia present, incloent-hi l’encara més enigmàtica energia fosca, el 68% restant del contingut de l’univers, s’han usat exclusivament paraules del llenguatge comú, sense fer us de cap paraula tècnica. No cerqueu doncs partícules, supersimetria, electrons, inflació, expansió o galàxia, sinó d’altres més usuals que no revelaré per a que el lector les interprete com crega. Que el lector en traga l’aigua clara serà un èxit de l’autor però també del traductor.

Una astrònoma en la seua talaia d’observació de l’Univers, un gran telescopi situat en un lloc remot, amb les seues vivències i pensaments fa de fil conductor de l’obra. Aquest fet li dona un context existencial i filosòfic que s’adiu molt bé amb el propòsit d’aquest llibre, fer comprendre que sabem alguna cosa del món que ens envolta però que si fem les preguntes adequades ens adonem que realment no en sabem pràcticament res. Aquest llibre de ciència juga amb la llengua, de vegades és molt poètic, però sobretot fa pensar, tot reforçat per les fantàstiques imatges de la il·lustradora Laura Pérez, realitzades especialment per a la versió valenciana.

L’univers, Tot-el-que-hi-ha, és molt més gran del que qualsevol humà és capaç d’imaginar i conté misteris que tot just comencem a albirar. La cosa més sorprenent, però, és el fet que el podem entendre, al cap i a la fi. Aquest llibre us ajudarà a caminar cap a la seua comprensió.

Enric Marco
Departament d’Astronomia i Astrofísica
Universitat de València

La frontera del cel. Publicat a Posdata Levante-EMV 24 d’octubre 2020

Tenim una visió molt simplificada de l’Univers. En veure les belles imatges que ens proporciona el telescopi espacial Hubble pensem en el cosmos format per estrelles, planetes, nebuloses de gas, galàxies i cúmuls de galàxies. L’Univers és bell i comprensible. I amb els àtoms d’aquesta matèria generada en l’interior de les estrelles s’ha creat la vida.

Tanmateix l’Univers és molt més que tot això. Existeix una matèria que no brilla però que interacciona gravitatòriament amb la matèria ordinària de la qual estem formats. D’ella no en sabem pràcticament res, només que no brilla i per això, amb molta imaginació, se l’anomena matèria fosca.

Les dades proporcionades per la missió Planck van determinar que la contribució de la matèria fosca a l’inventari de matèria i energia de l’Univers és realment notable, ja que representa un 27% del total. De fet les partícules i àtoms que formen la matèria ordinària de la que estem fets tots nosaltres només abasta prop d’un 5%.

Va ser la notable astrònoma nord-americana Vera Rubin la qui, en observar el moviment d’estrelles i nebuloses de la galàxia d’Andròmeda, descobrí que aquests objectes giren més ràpidament del que s’esperaria si, com passa al sistema solar, la major part de la massa es concentrara en el centre. Els objectes celestes situats en la perifèria de les galàxies espirals com la Via Làctia o la galàxia d’Andròmeda giren com si existira una matèria invisible que les empeny amb una força gravitatòria.

Existeix, per tant, una matèria no visible que estructura i modula els moviments del gas i de les estrelles en les galàxies i el moviment de les galàxies en els cúmuls de galàxies. Encara no sabem de què està feta aquesta misteriosa matèria però d’alguna forma Vera Rubin va eixamplar l’Univers. Mereixia el premi Nobel de Física i ha estat una injustícia que no li’l donaren.

Aquesta matèria que no brilla, fosca per tant, està formada per partícules, objectes o alguna cosa amb massa però fins ara no s’ha pogut esbrinar de que es tracta. És un dels grans misteris de l’astrofísica moderna. Una matèria fantasmal que empeny però que no es deixa atrapar.

Des de que es descobrí la matèria fosca l’any 1970 moltes han estant les propostes per explicar l’estranya matèria. Però totes han anant caient davant les evidències observacionals: forats negres estel·lars, planetes flotant lliures. etc… Els físics de partícules, per la seua banda, han proposat l’existència d’una nova partícula molt massiva, anomenada WIMP (partícula massiva amb interacció feble), que va ser el candidat principal per explicar la matèria fosca durant més de dues dècades. Tanmateix aquesta hipotètica partícula, si realment existeix, encara no ha estat descoberta.

Per això els científics del National Institute of Standards and Technology (NIST) dels Estats Units han pensat que seria més efectiu detectar alguna senyal de l’elusiva matèria fosca si realment mesuren l’única propietat que saben que realment té, la força gravitatòria causada per la seua massa.

A la recerca d’evidències directes, els investigadors del NIST han proposat utilitzar una matriu 3D de pèndols com a detectors de força, que podrien detectar la influència gravitatòria de les partícules de matèria fosca que passen entre elles. Quan una partícula de matèria fosca està a prop d’un pèndol suspès, el pèndol s’ha de desviar lleugerament a causa de l’atracció d’ambdues masses. Tanmateix, aquesta força és molt petita i difícil d’aïllar del soroll ambiental (partícules de l’ambient, raigs còsmics, microsismes, variacions de pressió i temperatura, etc.) que fa moure el pèndol. Per aïllar millor les deflexions de les partícules que passen, els investigadors del NIST proposen utilitzar una matriu de pèndols. El soroll ambiental afecta cada pèndol individualment i fa que es moguen de forma independent. No obstant això, les partícules que passen per la matriu produiran deflexions consecutives dels pèndols (mireu el vídeo). Com que aquests moviments estan correlacionats, es poden aïllar del soroll de fons, revelant quanta força subministra una partícula a cada pèndol i la velocitat i direcció de la partícula de matèria fosca.

Daniel Carney, un físic teòric de NIST i col·laboradors calculen que aquest mètode pot trobar partícules de matèria fosca amb una massa mínima aproximada de la meitat que la d’un gra de sal, o aproximadament mil milions de milions de vegades la massa d’un protó.

Com que l’única incògnita de l’experiment és la massa de la partícula de matèria fosca, no com s’uneix a la matèria ordinària, “si algú construeix l’experiment que suggerim, trobarà matèria fosca o descartarà tots els candidats a la matèria fosca en un ampli ventall de possibles masses “, ha dit Carney. L’experiment seria sensible a partícules que oscil·len entre aproximadament 1 / 5.000 d’un mil·ligram i uns quants mil·ligrams.

Aquest experiment amb pèndols extremadament sensibles té similituds amb els detectors d’ones gravitatòries LIGO i Virgo encara que no serien tan costosos ni difícils de fer.  Només cal que alguna institució s’interesse i s’hi troben els fons necessaris. Espere que no triguem massa en poder veure-ho en funcionament.

Més informació:

A Billion Tiny Pendulums Could Detect the Universe’s Missing Mass

Aquests dies de Nadal ens ha deixat una gran astrònoma, Vera Cooper Rubin. Poc coneguda fora de l’àmbit de les ciències del cel, aquesta científica de 88 anys va fer un dels descobriments més importants del segle XX: la demostració clara de l’existència de la matèria fosca. Encara que s’ha especulat els darrers anys perquè es creia que podia guanyar el premi Nobel de Física, la seua mort ara ho fa impossible. Per cert, ja fa 53 anys que no se li atorga a cap dona.

Vera nasqué el 1928 a Filadèlfia (EEUU), però als 10 anys es desplaçà a viure a Washington DC. Allí s’apassionà per l’astronomia i hi passà hores mirant pel seu telescopi ben esperonada pel seu pare, un enginyer elèctric d’origen lituà.

Era ben estrany que una dona pretenguera fer una carrera de ciències en els anys quaranta, però ella ho aconseguí en graduar-se l’any 1948 en Vassar College, una universitat per a dones a l’estat de Nova York, en la qual l’astrònoma Maria Mitchell fou la primera professora. Com li passà a Maria Mitchell 100 anys abans, Vera també va tindre grans dificultats per continuar els estudis científics. Precisament l’exemple de l’astrònoma Mitchell l’encoratjà a lluitar per aconseguir-ho.

La idea inicial de Vera va ser continuar la formació amb el màster d’astronomia de la Universitat de Princeton, però no fou acceptada perquè fins al 1975 no permeté dones en el programa d’estudis graduats d’Astronomia.

Vera, però, no es desanimà i es matriculà en un màster de Física en la Universitat Cornell, també de l’estat de Nova York, amb grans professors com Philip Morrison, Richard Feynman i Hans Bethe. El 1954 es doctorà a la Universitat de Georgetown, de Washington DC, sota la direcció de George Gamow, l’astrònom que va predir un origen explosiu per a l’Univers, el que coneixem com a Big Bang.

Amb la tesi esbrinà la forma en què es distribuïen les galàxies en l’Univers. Estaven repartides a l’atzar, de manera homogènia o seguien algun patró determinat? La ferramenta estadística que desenvolupà per a analitzar els centenars de milers de galàxies registrades fins aleshores la portaren a conjecturar que les galàxies tendeixen a concentrar-se en certes zones amb enormes buits entre elles. Aquesta forma d’organitzar-se la matèria no fou acceptada en el seu moment, però s’ha vist totalment confirmada posteriorment i, de fet, és la base actual de l’estructura a gran escala de l’Univers.

Tanmateix la recerca que la féu famosa s’esdevingué quan es traslladà a la Carnegie Institution for Science de Washington DC, on començà a col·laborar amb W. Kent Ford, Jr. (1931). L’interés de tots dos era esbrinar com giren les estrelles al voltant de les galàxies espirals. Ford Jr. havia desenvolupat un espectrògraf molt sensible que permetia mesurar la velocitat de les estrelles en funció de la seua distància al centre de les galàxies.

En el Sistema Solar la majoria de la massa es concentra en el Sol. Per tant, els planetes giren cada vegada més lentament al seu voltant a mesura que s’hi troben més lluny. Mercuri gira més ràpid que Mart i aquest més que Neptú. Si els planetes llunyans giraren més ràpid s’escaparien. Aquest tipus de gir reflecteix la distribució de matèria en el Sistema Solar, en què gran part de la massa es troba al centre i ben poca a l’exterior. Aquest gir rep el nom de rotació kepleriana.

La pregunta que es feien Rubin i Ford Jr. era si en les galàxies espirals la gràfica de les velocitats orbitals de les estrelles també tindria el mateix aspecte, és a dir, si tindria un perfil keplerià. De fet, en les galàxies espirals passa com en el Sistema Solar: en el centre de la galàxia (el bulb) es troba concentrada gran part de la massa galàctica i aquesta massa va disminuint a mesura que ens allunyem del centre. Era d’esperar, doncs, una corba similar.

Per començar l’estudi s’elegí la Gran Galàxia d’Andròmeda, per ser la més pròxima i, per tant, la més fàcil per poder aïllar els objectes individuals. I en lloc d’usar estrelles com a marcadors de la corba s’utilitzaren nebuloses de gas d’hidrogen ionitzat (HII) i associacions estel·lars OB. La feina era feixuga, ja que es van fer els espectres de 67 nebuloses de gas a distinta distància del centre galàctic. Després va caldre, a partir d’ells, determinar les velocitats orbitals.

Els resultats obtinguts i publicats l’any 1970 en l’article Rotation of the Andromeda Nebula from a Spectroscopic Survey of Emission Regions van ser tota una revolució. La corba de les velocitats orbitals de les nebuloses d’emissió HII d’Andròmeda no era en absolut de forma kepleriana, sinó que era molt més complicada. Era veritat que prop del nucli galàctic les velocitats disminuïen ràpidament, però a partir de certa distància les velocitats de les nebuloses augmentaven i la corba tendia a ser més aviat plana. Aquest estrany comportament es pensà al principi que era una peculiaritat d’Andròmeda però, ben aviat, les mesures de velocitat en altres galàxies demostraren que era una característica de totes les galàxies espirals.

¿Què pot fer que les velocitats d’estrelles i nebuloses siguen cada vegada més grans a mesura que ens allunyem del centre d’una galàxia? Vera Rubin postula que l’única possibilitat és que existisca una matèria que no brille però que tinga massa i, per tant, interactue gravitatòriament amb la massa visible exterior fent que aquesta gire més ràpidament.

Encara que uns altres astrònoms ja havien especulat amb la massa invisible o perduda de les galàxies, va ser Vera Rubin qui va descobrir, sense cap mena de dubte, que la matèria visible no és l’única matèria de l’Univers. Existeix un altre tipus de matèria no visible que estructura i modula els moviments del gas i de les estrelles en les galàxies i el moviment de les galàxies en els cúmuls de galàxies. Encara no sabem de què està feta aquesta misteriosa matèria però d’alguna forma Vera Rubin va eixamplar l’Univers. Mereixia el premi Nobel de Física i ha estat una injustícia que no li’l donaren.

Nombrosos mitjans de comunicació i científics d’arreu del món lamenten la mort de Vera Rubin i la vergonya que no se la considera per al Nobel de Física. Només dues dones l’han guanyat. Un article del Washington Post pregunta: It’s been 53 years since a woman won the Nobel Prize in physics. What’s the holdup? (Han passat 53 anys des que una dona guanyà el premi Nobel de Física. Quina és la causa del retard?)

“L’existència de la matèria fosca ha revolucionat completament el nostre concepte de l’univers i tot el nostre camp; els esforços en curs per entendre el paper de la matèria fosca han generat subcamps sencers dins de la física de partícules i de l’astrofísica en aquest moment“, comenta Emily Levesque, una astrònoma de la Universitat de Washington a Seattle, a Astronomy.com. “La voluntat d’Alfred Nobel descriu el premi de Física com el reconeixement del “descobriment més important en el camp de la física“. Si la matèria fosca no s’ajusta a aquesta descripció, no sé que ho farà.”

Més informació:

• Celebrating Role Models in Science & Engineering Achievement: Vera Rubin!
• Shedding Light on Dark Matter
• Vera Rubin on Maria Mitchell and why she became an astronomer
• Vera Rubin y la materia oscura

Figures:
1.- Vera Rubin
2.- Vera Rubin com a estudiant al Vassar College. Vassar College.
3.- Rotació kepleriana de les velocitats orbitals dels planetes del Sistema Solar. . The Rotation Curve of the Milky Way. PennState University.
4.- Galàxia d’Andròmeda. Wikimedia Commons.
5.- Velocitats de rotació de les asociacions OB en M31. Article Rotation of the Andromeda Nebula from a Spectroscopic Survey of Emission Regions. Rubin i Ford Jr. 1970.
6.- Corba de rotació de la galàxia espiral M33 (punts grocs i blaus amb barres d’error) i la corba kepleriana predita a partir de la distribució de la matèria visible (línia blanca). La discrepància entre les dues corbes s’explica per l’addició d’un halo de matèria fosca que envolta la galàxia. Wikipedia Commons.