Stacy McGaugh: «La materia oscura pierde por goleada ante el principio de la navaja de Occam»

Algunos sugieren que quizás no estemos interpretando bien lo que vemos. Principalmente, porque todos los intentos de encontrar huellas de estas «sustancias» oscuras han fracasado hasta ahora (si bien es cierto que Roma no se contruyó en un día). En las últimas décadas se han multiplicado las teorías y se ha invertido mucho dinero en detectores cada vez más potentes para captar una mínima señal de estas realidades ocultas. Pero aun así no se ha encontrado nada sólido, al menos por el momento. Algunos científicos, sin embargo, llevan mucho tiempo insistiendo en que quizás estamos buscando en el lugar equivocado : puede que no existan tales cosas como la energía o la materia oscuras. Puede que lo que está ocurriendo es que las ecuaciones y los cálculos que usamos para analizar los movimientos de las galaxias o la expansión del Universo estén pasando algo muy importante por alto. O que sencillamente sean incorrectas.

Uno de ellos es Stacy McGaugh , astrofísico en la Case Western Reserve University, en Cleveland, Ohio (EE.UU.). Este científico ha sido muy activo a la hora de divulgar y estudiar esta posibilidad. Es uno de los que ha propuesto que leyes de la gravedad modificadas podrían explicar las cosas que llevan a otros a estar convencidos de la existencia de la materia oscura, sobre todo a raiz de la publicación de dos artículos donde encontraba evidencias experimentales para esta posibilidad. Si la gravedad de Newton funciona bien en el Sistema Solar pero no más allá, en el reino de las galaxias, ¿podría ser que la gravedad de Einstein tuviera también unos límites, y que dejase de funcionar en las mayores escalas posibles? A través de correo electrónico, McGaugh escribó sobre este profundo problema que atraviesa la Cosmología.

Los cálculos consideran que no conocemos el 85 por ciento de la materia que compone el Universo. Entonces, ¿se puede decir que sabemos cómo funciona?

No creo que sea correcto decir que sabemos cómo funciona el Universo cuando no entendemos la mayoría de lo que está hecho. Es cierto que una vez que nos convencemos a nosotros mismos de los cuentos de la energía y la materia oscuras , muchos de los aspectos de la Cosmología adquieren sentido, pero no todos. Pero esto solo es verdad solo si esas cosas realmente existen.

Según la Cosmología estándar , el 5 por ciento del Universo es materia normal, el 25 por ciento es materia oscura y el 70 por ciento es energía oscura. Pero esto no contradice ese 85 por ciento que mencionaba, porque eso solo se refiere a la fracción de «materia» que es materia oscura, sin tener en cuenta la energía oscura.

Pero en realidad, no sabemos lo que es la materia oscura y ni siquiera sabemos qué queremos decir con energía oscura , aparte de que es una sustancia que tiene el efecto neto de comportarse como la anti-gravedad.

¿Por qué es tan importante resolver el misterio de la materia oscura?

El problema de la discrepancia de la masa es uno de los más profundos, quizás EL MÁS excepcionalmente profundo de la Física moderna . Es evidente que hay una discrepancia en los datos. Cuando aplicamos la ley de la Gravedad que nos han enseñado Newton y Einstein a las galaxias y al Universo en su conjunto, no funcionan. A no ser que haya una fuente de masa extra que no estamos viendo.

Pero yo lo llamo la discrepancia de masa, porque podría ser que nuestra inferencia de que existe una masa invisible fuera porque estamos aplicando la ecuación equivocada . Esto quiere decir que quizás algo cambia en el funcionamiento de la gravedad, más allá de lo que Einstein nos enseñó. En realidad, no podemos decir a ciencia cierta que hay materia oscura, solo que hay una discrepancia.

¡Obviamente, es muy importante resolver esta discrepancia! Es una enorme diferencia que haya una masa invisible o que haya que cambiar alguna ley más general de la gravedad. En el primer caso, nosotros (parte de la materia normal), no somos más que una excepción, un madero flotando en un océano enorme de materia oscura. En el segundo caso, hay algo fundamentalmente nuevo que aprender acerca de cómo funciona la naturaleza. ¡La ciencia no ha llegado al final, aún no queda un largo camino!

De hecho, esta diferencia nos dice cómo nos vemos a nosotros mismos y cuál es nuestro lugar en el Universo, lo que me recuerda al antiguo debate que surgió entre geocentrismo y heliocentrismo.

Creo que usted ha propuesto una solución a ese problema de la discrepancia de la masa que no implica que exista una masa invisible sino que, en su lugar, se usen otras ecuaciones para la gravedad. ¿En qué consiste su idea?

«Yo» no hice esa propuesta. Un buen número de otros científicos lo han hecho. Pero solo una de todas esas hipótesis es interesante porque es la única que logró que algunas de sus predicciones se hicieran realidad. Esa teoría es la « Modified Newtonian Dynamics » (MOND), (es decir, dinámica newtoniana modificada*), hipotetizada por Mordehai Milgrom , investigador del Instituto Weizmann (Israel).

*Esta hipótesis sostiene que la fuerza sobre una partícula no es proporcional a la aceleración, tal como sostiene la segunda ley de Newton, cuando esta tiene valores muy pequeños. Ha sido confirmada y descartada por datos en varias ocasiones, y es rechazada de forma mayoritaria por la comunidad científica, aunque eso no quiere decir que no esté en el camino correcto.

Mi nombre suele ser pronunciado en este contexto porque hice un experimento (no muchos) que confirmó las predicciones de MOND en galaxias de bajo brillo (galaxias difusas y tenues), y porque fui lo suficientemente honesto (y en retrospectiva, inconscientemente valiente) como para decirlo .

La idea de Milgrom es que, en vez de inferir la necesidad de materia oscura, consideremos que la gravedad es diferente en esos sistemas donde la materia oscura se manifiesta . La idea básica ha sido considerada por muchos; la aproximación usual es destacar que las galaxias y los objetos que necesitan materia oscura son mucho, MUCHO más grandes, que el Sistema Solar, donde la gravedad está tan confirmada. Así que la idea resultante es que quizás la fuerza de la gravedad cambia a grandes escalas de forma que se percibe en galaxias pero no en nuestro Sistema Solar.

Para abreviar: esta idea falla. Uno no puede modificar las leyes de la fuerza a grandes escalas y explicar los datos con esto. Esto llevó a muchas personas a considerar la existencia de la materia oscura.

Entonces, ¿por qué no ha descartado usted esta hipótesis?

Mordehai Milgrom llamó la atención sobre el hecho de que e l tamaño no es lo único en lo que una galaxia se diferencia del Sistema Solar. ¿Quizás hay otra escala a tener en cuenta?

De hecho, MOND cambia la ley de la fuerza en base a una escala de aceleración. El valor crítico está en «a0» (un parámetro que equivale a 1.2 x 10^-10 m/s/s). Esto es alrededor de una parte entre 100.000.000.000 de la aceleración que experimentamos en la superficie de la Tierra.

Así que, de acuerdo con esto, el enorme tamaño de las galaxias no es lo que las hace diferentes, sino las increíblemente pequeñas aceleraciones experimentadas por estrellas en las enormes profundidades del espacio interestelar. Las estrellas interaccionan gravitacionalmente, pero solo muy débilmente. Sin embargo, Milgrom propuso que esta pequeña fuerza se incrementa un poco cuando las aceleraciones son menores a «a0», y que es este cambio en la ley de fuerza lo que atribuímos erroneamente a la materia oscura.

Esta hipótesis ha sido confirmada y rechazada repetidamente. Lo que mantiene mi interés en ella son dos cosas. Por una parte, los datos que la rechazan son marginales: solo «falla» en un 20 por ciento en la predicción de la velocidad de dispersión en cúmulos de galaxias. Esto es un fallo pequeño dentro de los estándares de la Astronomía. Por otra parte, MOND hace predicciones muy específicas para galaxias de bajo brillo. Es cierto que estas han mostrado ser correctas y erróneas una y otra vez, pero también es verdad que la materia oscura no hace las mismas predicciones. Además, las predicciones de MOND que sí aciertan son muy específicas , y uno no puede esperar lograr algo así con la materia oscura.

El principio de la navaja de Occam dice que entre hipótesis rivales, se debe escoger aquella que contenga menos asunciones. En este caso, ¿se han escogido las hipótesis más sencillas para explicar el problema, que usted llama discrepancia de masa?

El principio de la navaja de Occam es muy importante para mí. Y MOND gana por goleada a la materia oscura . Un sencillo cambio en la ley de la fuerza de la gravedad explica casi todos los datos importantes. Esto dejó patidifusos a muchos, pero es lo que encontré. Para hacer que la materia oscura explique las mismas cosas que MOND predice, tienes que añadir un efecto extraño sobre otro efecto extraño. Esto viola el principio de la navaja de Occam de la misma forma que los epiciclos de Ptolomeo lo hacían al explicar el movimiento retrógado de los planetas. Puedes hacerlo, siempre puedes forzar las cosas para lograrlo, pero no es satisfactorio.

Hay varios tipos de partículas de materia oscura, pero tengo entendido que se caracterizan por no interaccionar con la materia ni la luz. Así que, ¿cómo pueden detectarse?

Experimentos como XENON1T están trabajando en una hipótesis muy específica de la materia oscura, que se basa en las WIMPs («Weakly Interacting Massive Particle»), de partículas masivas que interactúan débilmente. Las WIMPs se convirtieron en el candidato favorito para ser las partículas de la materia oscura en los ochenta por razones que eran suficientes para todos (yo entre ellos), pero que ya no tienen validez.

La idea de las WIMPs es que hay algún sector más allá del modelo estándar de la Física de partículas: así que esto es parte de la «nueva» Física de la misma forma que cambiar la ley de la fuerza es nueva Física, pero realmente ambas son hipótesis radicales. En este «sector oscuro», originalmente a través de la supersimetría de las WIMPs, las partículas normales tienen partículas compañeras súpersimétricas .

Estas constituirían la materia oscura. Interaccionan con la materia normal a través de la gravedad y de la interacción nuclear débil, pero no a través del electromagnetimo**. Este último rasgo es lo que las hace ser oscuras. Al igual que los neutrinos, ni emiten ni absorben luz, y pasan a través de la materia sólida . Sin embargo, si, como los neutrinos, sí interaccionan a través de la interacción nuclear débil, entonces una vez cada cierto tiempo interaccionarán con la materia normal de esta forma. Esta es la señal que buscan los experimentos, entre los que está el XENON1T. Y cuanto más grande sea el detector, más eventos podrás detectar. O, si no detectas nada, más estrechos podrán ser los límites que pongas.

**Toda la Física se explica a partir de cuatro interacciones fundamentales . La nuclear fuerte, la nuclear débil, la gravitacional y la electromagnética.

Estos experimentos han hecho progresos fantásticos en no detectar las WIMPs. Pero si realmente existieran con las propiedades que originalmente imaginamos, habrían sido detectadas hace años, incluso hace décadas . Por eso, los teóricos han estado moviendo los objetivos. Siempre pueden hacerlo, así que, ¿cómo decidimos que estamos errando el tiro? Si nos aburrimos de buscar WIMPs siempre podemos recuperar otra forma de materia oscura. Como los axiones. Si no esos, quizás la materia oscura caliente. Si esta tampoco, quizás podemos hablar de una materia oscura auto-interactiva . Y así sucesivamente, por los siglos de los siglos.

Esto me hace plantearme la pregunta de si esto es realmente ciencia. Muchos de mis colegas te dirán que MOND ya está descartada. Quizás están en lo cierto, aunque creo que han saltado demasiado rápido a la conclusión que prefieren. Pero al menos MOND es una hipótesis científica falsable por medio de experimentos . Y no es obvio que la materia oscura tenga esa misma propiedad.