Capítulo 10: Cómo crecieron las galaxias

Noche 110: Una lección con gotas de agua

El día 110 era sábado según el reloj de la estación. Los fines de semana en órbita no son del todo libres, porque algunas tareas nunca se detienen, pero son más ligeros. Por la mañana, la tripulación limpió la estación entre todos. Limpiaron superficies, cambiaron filtros de aire y pasaron la aspiradora por las rejillas donde se acumulan el polvo, las migas y pequeños objetos perdidos que el aire en movimiento lleva hasta allí. Ade encontró un tornillo que alguien había perdido semanas antes, y Tomás lo declaró el hallazgo del día.

Los fines de semana también traen un poco de tiempo propio. Tomás pasó una hora con su música, tocando en voz baja para sí mismo con los auriculares puestos. Ade leyó un libro en su tableta con los pies enganchados bajo una barra. Cada uno tenía prevista para la noche una llamada privada con su familia. Una estación espacial es un lugar de trabajo, pero un sábado se convierte, durante unas horas, en algo más parecido a un hogar.

Por la tarde, Noor tenía una tarea que llevaba tiempo esperando con ganas. Desde tierra le habían pedido que grabara una breve lección para escuelas. Algunos niños habían enviado preguntas sobre la vida en la estación, y algunas de las preguntas eran sobre el agua. ¿Qué le pasa al agua cuando nada tira de ella hacia abajo? ¿Se puede verter? ¿Salpica? ¿Cae?

Noor colocó una cámara en un rincón tranquilo y apretó un poco una bolsa de beber para sacar algo de agua. No se derramó. Salió como una masa temblorosa y luego, poco a poco, se recogió en una bola casi perfecta que flotaba en el aire delante de ella. La tocó con suavidad con una pajita, y la bola tembló entera y volvió a quedar redonda. Añadió una segunda gota, más pequeña, y cuando las dos se tocaron, se unieron al instante en una bola más grande.

Explicó ante la cámara que el agua tira de sí misma. En su superficie, el agua siempre está tirando hacia dentro, un poco como una piel tensa. En la Tierra, la gravedad es más fuerte que esa atracción, así que el agua se extiende en un charco o corre cuesta abajo. En la estación, en ingravidez, gana la atracción de la propia agua, y la forma que contiene más agua con la menor superficie es una bola. Al final, recogió las gotas con cuidado con una toalla, porque el agua suelta cerca de equipos eléctricos es un riesgo real.

Esa noche le envió a Sami un trocito del vídeo. Él respondió que su hija, que tenía siete años, lo había visto tres veces y ahora quería ser astronauta, o quizá una gota de agua. Luego le preguntó algo que le rondaba la cabeza desde la lección. Si las gotas pequeñas se unen en otras más grandes, ¿es así también como se formaron las galaxias? Noor lo pensó. En cierto modo, sí, le escribió. Pero la fuerza que junta las galaxias no es la atracción de la superficie del agua. Es la gravedad. Y una parte viene de algo que nadie puede ver.

De las ondulaciones a una red

La noche anterior vimos encenderse las primeras estrellas en la oscuridad. Se formaron en grumos de gas, en los lugares donde el universo joven era algo más denso que la media. La historia de esta noche trata de lo que pasó después: cómo aquellos primeros grumos pequeños crecieron, se unieron y se convirtieron en las galaxias que hoy llenan el universo, incluida la Vía Láctea, nuestra propia galaxia.

La historia empieza con las ondulaciones diminutas que vimos en la luz más antigua, diferencias de una parte entre 100 000. La gravedad convirtió esas pequeñas diferencias en grandes. Un lugar que es un poco más denso atrae un poco más fuerte, reúne más materia y se vuelve aún más denso. A lo largo de cientos de millones y luego de miles de millones de años, las ondulaciones crecieron hasta formar grumos, y los grumos crecieron hasta formar estructuras más grandes.

Hay una razón por la que la gravedad, entre todas las fuerzas de la naturaleza, pudo hacer este trabajo. En la vida diaria, la gravedad es muy débil. Un imán pequeño puede levantar un clip contra la atracción de toda la Tierra. Pero la gravedad tiene una cualidad especial: solo atrae y nunca empuja, y se va sumando. Las cargas eléctricas son de dos tipos, positivas y negativas, y en grandes cantidades de materia casi siempre se anulan entre sí. La gravedad nunca se anula. A lo largo de las enormes distancias y los largos tiempos del universo, se convierte en la fuerza que da forma a todo.

Cuando los astrónomos hacen mapas de dónde se encuentran hoy las galaxias, ven un patrón notable. Las galaxias no están repartidas de forma uniforme, como azúcar espolvoreado sobre una mesa. Están ordenadas en largos filamentos y finas paredes, con regiones enormes y casi vacías entre ellos. Donde se juntan los filamentos hay grupos y cúmulos de galaxias abarrotados, algunos con cientos o miles de galaxias. Los astrónomos llaman a este patrón la red cósmica.

Si alguna vez has visto una telaraña cubierta de rocío de la mañana, o la espuma de una taza de café cuando las burbujas se han apretado unas contra otras, has visto algo de aspecto parecido: bordes y uniones finos, con espacios abiertos entre ellos. La red cósmica es, por supuesto, enormemente más grande. Una sola región vacía puede medir cientos de millones de años luz. Pero la idea es la misma. La materia se ha reunido a lo largo de líneas y en puntos de encuentro, y se ha ido retirando de los espacios intermedios.

Los modelos del universo por ordenador, que empiezan con las ondulaciones medidas en la luz más antigua y luego siguen la gravedad hacia delante a lo largo de miles de millones de años, producen una red que se parece mucho a la real. Esa coincidencia es una de las razones por las que los astrónomos creen entender la historia general de cómo creció la estructura del universo. Pero los modelos solo funcionan bien si incluyen un ingrediente muy importante, algo que nadie ha visto nunca directamente.

Las personas que notaron que faltaba algo

La primera pista llegó en 1933, de un astrónomo llamado Fritz Zwicky. Estaba estudiando un gran cúmulo de galaxias en la constelación llamada Cabellera de Berenice. Midió a qué velocidad se movían las galaxias del cúmulo. Las galaxias de un cúmulo se mueven unas alrededor de otras, mantenidas juntas por su gravedad combinada, como personas que se mueven por una sala abarrotada y nunca llegan a salir de ella. Cuanto más deprisa se mueven, más gravedad hace falta para mantenerlas juntas.

Zwicky descubrió que las galaxias se movían demasiado deprisa. Si el cúmulo contuviera solo la materia que los astrónomos podían ver, en forma de estrellas que brillan, debería haberse dispersado hacía mucho tiempo. Y, sin embargo, ahí estaba. Algo tenía que estar añadiendo muchísima gravedad extra. Zwicky escribió sobre «materia oscura», materia que no brilla pero sí atrae. Muchos astrónomos de la época no quedaron convencidos. Las mediciones eran difíciles, y era posible que se hubiera pasado algo por alto. La idea quedó a la espera.

Décadas después, en los años setenta, la astrónoma Vera Rubin estudió cómo se mueven las estrellas y el gas dentro de las galaxias espirales. Una galaxia espiral gira despacio, como una gran rueda. Cabría esperar que girara como nuestro sistema solar, donde los planetas lejanos al Sol se mueven más despacio que los cercanos, porque la atracción del Sol es más débil lejos. La mayor parte de la luz de una galaxia viene de su centro brillante, así que los astrónomos esperaban que las estrellas exteriores también se movieran despacio.

No fue eso lo que encontró Rubin. Galaxia tras galaxia, las estrellas y el gas de los bordes más lejanos se movían igual de deprisa que los que estaban más cerca del centro. Se movían tan deprisa que deberían haber salido despedidos, a menos que en la galaxia hubiera mucha más materia de la que se veía, extendida mucho más allá de las estrellas brillantes. Rubin era cuidadosa y paciente, y sus mediciones eran difíciles de discutir. Junto con el trabajo de otros, convencieron a la mayoría de los astrónomos de que la materia oscura es real. Fue un buen ejemplo de cómo un trabajo constante y cuidadoso puede cambiar lo que cree todo un campo.

Desde entonces se han sumado otras pruebas. La masa desvía la trayectoria de la luz que pasa cerca de ella, y los astrónomos pueden ver galaxias de fondo cuya luz ha sido desviada y deformada por cúmulos situados delante. La cantidad de desvío muestra cuánta masa hay, y de nuevo es muchísima más que la materia visible. También los patrones de la luz más antigua solo pueden explicarse si hay una gran cantidad de materia oscura. Hoy, los astrónomos calculan que en el universo hay unas cinco veces más materia oscura que materia ordinaria.

Lo que sabemos y lo que no

Entonces, ¿qué es la materia oscura? La respuesta honesta es que nadie lo sabe. Sabemos que tiene gravedad, porque podemos ver su atracción. Sabemos que no brilla, no refleja la luz y no la bloquea, porque si no la veríamos. Sabemos que no parece chocar con la materia ordinaria de ninguna manera que hayamos podido notar. Más allá de eso, su naturaleza es una de las mayores preguntas sin respuesta de la ciencia.

Si la materia oscura está hecha de partículas, como creen muchos científicos, esas partículas probablemente no están solo lejos, en otras galaxias. Puede que estén a nuestro alrededor, aquí en la Vía Láctea, atravesando en silencio la Tierra, la estación y tu habitación mientras lees, sin tocar nada. No es seguro, porque no sabemos qué es la materia oscura. Pero es una idea extraña y tranquila: el tipo de materia más abundante del universo quizá te esté atravesando ahora mismo, y nunca lo notarías.

Algunas cosas se han descartado en buena parte. ¿Podría ser la materia oscura simplemente materia ordinaria difícil de ver, como gas frío, polvo, estrellas tenues, estrellas muertas o agujeros negros? Los astrónomos han buscado objetos así, y encuentran algunos, pero ni de lejos los suficientes. También hay una razón más profunda. Los primeros minutos, que conocimos una noche anterior, fijaron la cantidad total de materia ordinaria del universo, y la luz más antigua confirma esa cantidad. Es demasiado poca para explicar toda la gravedad extra. Así que la mayor parte de la materia oscura tiene que ser algo distinto de los átomos que forman las estrellas, los planetas y las personas.

Muchos científicos creen que la materia oscura es un tipo de partícula que todavía no se ha descubierto. En todo el mundo, los científicos han construido detectores muy sensibles, a menudo en las profundidades del subsuelo, donde están protegidos de otras partículas, para intentar atrapar una partícula de materia oscura chocando con la materia ordinaria. Otros buscan señales de materia oscura en aceleradores de partículas o en el cielo. Hasta ahora, ninguna de estas búsquedas la ha encontrado. Eso no significa que no esté ahí. Significa que es más difícil de atrapar de lo que se esperaba, o distinta de lo que se esperaba.

Un pequeño número de científicos ha probado otra idea: quizá no haya ninguna materia extra, y lo que ocurre es que la gravedad se comporta a distancias muy grandes de forma distinta a como dicen nuestras teorías. Esta idea ha tenido algunos éxitos al explicar cómo giran las galaxias. Pero le ha costado muchísimo explicar a la vez los cúmulos de galaxias, el desvío de la luz y los patrones de la luz más antigua, que la materia oscura explica conjuntamente. Por ahora, la mayoría de los astrónomos creen que la materia oscura es la mejor explicación. Pero la pregunta sigue abierta, y así es exactamente como debe ser hasta que las pruebas la resuelvan.

Resulte ser lo que resulte, la materia oscura tuvo un papel clave en el crecimiento de las galaxias. La materia ordinaria, en el universo joven, era empujada por la luz, y no podía reunirse en grumos con facilidad hasta que se liberó la luz más antigua. La materia oscura no nota la luz en absoluto. Así que pudo empezar a reunirse en grumos antes. Cuando el gas corriente quedó por fin libre, cayó en los grumos de materia oscura que ya estaban esperando. Sin esa ventaja inicial, las galaxias habrían tardado mucho más en formarse, y el universo actual podría ser muy distinto.

Galaxias que se unen

Las primeras galaxias eran pequeñas. Como vimos la noche anterior, el telescopio Webb ve galaxias de unos cientos de millones de años después del comienzo, y son mucho más pequeñas que la Vía Láctea. ¿Cómo crecieron galaxias grandes como la nuestra a partir de comienzos tan pequeños? En parte atrayendo gas fresco de la red cósmica, y en parte uniéndose, como las gotas de agua de Noor, aunque de forma mucho más lenta y mucho menos suave.

Cuando dos galaxias se acercan, su gravedad las atrae una hacia otra. Giran una alrededor de la otra, a veces varias veces a lo largo de cientos de millones de años, y de ellas se desprenden largas corrientes de estrellas y gas. Al final, a menudo se asientan en una sola galaxia más grande. Los astrónomos han fotografiado muchas parejas de galaxias en distintas etapas de este lento encuentro. Cada imagen es como un fotograma de una película que tarda muchísimo más que una vida humana en proyectarse.

Nuestra propia galaxia es el resultado de miles de millones de años de crecimiento así. Hoy, la Vía Láctea es una gran galaxia espiral, de unos 100 000 años luz de diámetro, con cientos de miles de millones de estrellas, una de las cuales es el Sol. Desde la estación, en una pasada oscura, Noor podía ver su franja cruzando el cielo. Lo que veía era la vista interior de un gran disco plano de estrellas, visto de canto desde algún lugar de su interior.

La Vía Láctea creció en parte de esta manera. Los astrónomos que estudian los movimientos de las estrellas de nuestra galaxia han encontrado grupos de estrellas que se mueven juntas de formas poco habituales, y creen que son los restos de galaxias más pequeñas que la Vía Láctea se tragó hace mucho tiempo. Algunas de las estrellas más antiguas de nuestra galaxia se formaron hace más de 13 000 millones de años, así que la Vía Láctea lleva creciendo casi toda la historia del universo. Incluso hoy está atrayendo poco a poco a unas cuantas galaxias vecinas pequeñas.

Y a la Vía Láctea le espera un gran encuentro. Una noche anterior vimos que la galaxia de Andrómeda, a unos 2,5 millones de años luz, es una de las pocas galaxias que se mueven hacia nosotros. Dentro de unos 4000 a 5000 millones de años, se espera que la Vía Láctea y la galaxia de Andrómeda se acerquen mucho la una a la otra, y con el tiempo quizá se fusionen en una sola galaxia más grande. Sus trayectorias exactas todavía se están midiendo, así que los astrónomos aún no están seguros de cuándo ocurrirá la fusión, ni siquiera de si ocurrirá. Si ocurre, el cielo nocturno de cualquier planeta que exista entonces será muy distinto, lleno de nuevas corrientes y nubes de estrellas.

Puede sonar alarmante, pero no hay por qué preocuparse, por dos razones. La primera es el enorme tiempo que implica, muchísimo más largo que la historia humana, muchas veces repetida. La segunda es que las galaxias son sobre todo espacio vacío. Las distancias entre las estrellas son tan grandes comparadas con las propias estrellas que, cuando dos galaxias se fusionan, las estrellas casi nunca chocan entre sí. Pasan a grandes distancias, mientras las nubes de gas de las dos galaxias se encuentran y pueden dar origen a muchas estrellas nuevas.

Un mensaje para Sami

Antes de dormir, Noor volvió a ver el pequeño vídeo de las gotas de agua y luego envió la lección terminada a tierra. Pensó en los niños que la verían en sus aulas, y en la hija de Sami, que quería ser una gota de agua. Pensó también en los largos filamentos de la red cósmica, con galaxias reunidas a lo largo de ellos como gotas en un hilo de telaraña.

Escribió a Sami: «Dile a tu hija que las galaxias también se unen, como las gotas, pero muy despacio. Nuestra galaxia se ha tragado varias más pequeñas. Y la mayor parte de lo que mantiene unidas las galaxias es algo invisible que nadie ha identificado todavía. Quizá sea ella quien descubra qué es». Sami respondió que su hija se había quedado dormida, pero que se lo diría por la mañana, y que estaba seguro de que preguntaría qué significa «identificar».

Quizá, al final de tu propia semana, también tengas un día más ligero, con tareas por la mañana y algo que te gusta por la tarde. Un día así, si te sirves un vaso de agua o miras cómo la lluvia se junta en gotas en una ventana, quizá recuerdes la larga y lenta reunión del universo. Las cosas pequeñas se unen en otras más grandes. Parte de lo que las mantiene unidas es fácil de ver. Otra parte, como muchas de las cosas buenas que mantienen unidas a las personas, no se ve en absoluto.

Malentendidos frecuentes

Mucha gente cree que la materia oscura es simplemente materia ordinaria demasiado oscura para verse, como polvo, nubes oscuras o estrellas muertas. Los astrónomos han buscado esas cosas con cuidado. Existen, pero ni de lejos hay suficientes. Los primeros minutos del universo y la luz más antigua muestran que la cantidad total de materia ordinaria es demasiado pequeña para explicar la gravedad extra. Así que la mayor parte de la materia oscura tiene que ser otra cosa, probablemente algo que ni siquiera está hecho de átomos.

Mucha gente supone también que los científicos saben qué es la materia oscura y simplemente le ponen un nombre misterioso. No lo saben. Saben cuánta hay, más o menos dónde está y cómo atrae. Pero de qué está hecha no se ha descubierto, a pesar de muchos años de búsqueda cuidadosa. La palabra «oscura» de su nombre es una admisión honesta. Significa que vemos sus efectos pero no podemos ver la cosa en sí, y que todavía no la entendemos.

Por último, mucha gente imagina que, cuando dos galaxias chocan, sus estrellas se estrellan unas contra otras en grandes explosiones. En realidad, las estrellas casi nunca chocan, ni siquiera cuando se fusionan galaxias enteras, porque el espacio entre las estrellas es inmenso. Si el Sol fuera del tamaño de un grano de arena, la siguiente estrella más cercana sería otro grano de arena a más de diez kilómetros. El verdadero encuentro se produce entre las nubes de gas, que pueden comprimirse y formar estrellas nuevas, y esas estrellas nuevas, a su vez, forman elementos nuevos. En la próxima noche miraremos dentro de las estrellas y veremos cómo formaron los elementos de nuestro propio cuerpo.