Abans de la invenció del telescopi es pensava que més enllà de les òrbites dels planetes del Sistema Solar hi havia el món immutable de les estreles. Però, després d’existir el telescopi, els astrònoms van començar a observar el cel i es van adonar que, a més d’estreles individuals, n’hi havia cúmuls d’estreles i nebuloses. Les nebuloses són objectes difusos que s’hi troben al cel. Les van observar uns astrònoms cèlebres com ho eren Charles Messier o William Herschel i les van catalogar de forma sistemàtica, un fet que va permetre observar que hi havia algunes nebuloses en forma d’espiral.

A principis del segle XX es va descobrir que aquestes nebuloses espirals se situaven més enllà de la nostra galàxia, confirmant la teoria d'Immanuel Kant qui al segle XVIII va predir que l'univers està format per universos illa –les galàxies- i que la Via Làctia n'és un d'aquests. Així, de la mateixa manera com les illes s'agrupen formant arxipèlags, les galàxies també s'uneixen, formant cúmuls. Per explicar els moviments de les galàxies que els formen, l'astrònom suís Fritz Zwicky va predir l'existència d'una matèria invisible responsable d'aquests moviments inexplicables fins al moment. Aquesta teoria, però, va caure en l'oblit durant molts anys, fins que a finals del segle XX es va reprendre i va rebre el nom de "matèria fosca". Aquesta és la matèria que, tot i estar present a l'univers, no som capaços de veure perquè no emet llum. De fet, ni tan sols interacciona amb ella i per tant, és summament difícil de detectar.

Les galàxies que són remolins de matèria giratoris tenen una velocitat de rotació particular que pot explicar-se correctament només si entra en joc la matèria fosca.

Com es pot observar a la imatge, la velocitat de rotació predita per a una determinada galàxia és la corba A del gràfic. En canvi, la velocitat real de la galàxia és la representada per la corba B. Aquest desajust només es pot explicar per què als afores de la galàxia, a les zones més allunyades del nucli, hi ha una quantitat de matèria fosca enorme responsable d'aquest moviment peculiar.

Una altra conseqüència de l'existència de matèria fosca a l'univers són les lents gravitacionals. La teoria de la relativitat prediu que la llum es desvia quan passa propera a un objecte molt massiu i, per tant, pateix una distorsió. Però, aquesta distorsió no quadra amb la mida de les galàxies tal com les coneixem en el telescopi i llavors cal fer ús de la matèria fosca per poder considerar aquesta desviació de la llum que ve d'una galàxia molt llunyana i entendre la seua mida real.

Què és la matèria fosca?

Tot i que no se sap què és la matèria fosca, una part potser siga provinent d'objectes de matèria ordinària que encara no hem descobert. Els astrònoms, però, saben que el percentatge d'aquesta és molt baix i que hi ha una altra part d'aquesta matèria no descoberta que té una naturalesa diferent de la matèria ordinària. Es pensa que poden ser partícules subatòmiques predites que encara no s'han trobat com els WIMPs o els axions, però això de moment només són teories.

Sabem que un 22% del que conforma l’univers és matèria fosca. Però, a més, hi ha un 74% que és energia fosca. A principis del segle XX aquestes dades no es coneixien, es creia que l’univers era una cosa estàtica que ni s’expandia ni patia contracció. De fet, Albert Einstein, en les equacions de la relativitat general va introduir un paràmetre per tal d’evitar aquesta expansió que les equacions mostraven. Però, pocs anys després es va veure que l’univers està en expansió.

També sabem que aquesta expansió va ocórrer perquè hi ha una dèbil luminescència que impregna tot l'univers i que és una resta d'aquesta. Després de la gran explosió l'univers es va expandir a una velocitat ultra accelerada, però la mateixa matèria ordinària i fosca de l'univers va fer que les galàxies tingueren tendència a tornar a ajuntar-se, frenant així la velocitat de l'expansió. Llavors, va arribar un moment en què l'expansió esdevenia pràcticament lineal. No obstant això, fa entre 5000 i 6000 milions d'anys l'expansió va començar a accelerar-se de nou iniciant-se l'etapa actual de l'univers. La causa era deguda a una energia desconeguda, l'energia fosca. La naturalesa d'aquesta energia tampoc la coneixem, no sabem si en el futur seguirà expandint l'univers d'una forma cada vegada més accelerada o, al contrari, la matèria serà capaç de dominar la partida i frenar l'expansió. Per tant, per conéixer com evolucionarà l'univers en el futur és necessari que es conega la naturalesa de l'energia fosca i la matèria fosca.

Una vegada més, els problemes derivats de la física del cosmos han posat potes cap amunt tots els fonaments de la Física, tal com ha passat en nombroses ocasions al llarg de la història de la ciència.

Two missing pieces of the universe puzzle

Before the telescope was invented, it was thought that beyond the planets of the Solar System there was the immutable world of stars. But, after the appearance of the telescope, astronomers started watching the sky and realised that, besides individual stars, there were star clusters and nebulae. Nebulae are diffuse objects in the sky. Famous astronomers such as Charles Messier or William Herschel, observed them and catalogued them systematically, a fact which let them know there were some nebulae in shape of spiral.

At the beginnings of the XX century it was discovered that these spiral nebulae were beyond our galaxy, confirming Immanuel Kant theory, who in the XVIII century predicted the universe was formed by island universes –galaxies– and the Milky Way is one of them. So, as islands group in archipelagos, galaxies also gather and form clusters. In order to explain the movements of galaxies which form them, the Swiss astronomer Fritz Zwicky predicted the existence of an invisible matter which was the responsible of these movements, inexplicable until the moment. But this theory was forgotten for many years, until the end of the XX century, when it was resumed and it was called dark matter. This is the matter that, even though it is present on the universe we cannot see it because it does not emit light. In fact it not even interacts with light, so it is extremely hard to detect.

Galaxies which are rotating matter whirlpools have a specific rotational speed which can only be explained if dark matter comes into play.

As you can see in the image, the predicted rotational speed for a specific galaxy is curve A in the graph. However, real speed of the galaxy is represented by curve B. This imbalance can only be explained because on the outskirts of the galaxy, in the most remote areas, there is a huge amount of dark matter responsible of this peculiar movement.

Another consequence of the existence of dark matter in the universe is the existence of gravitational lenses. The theory of relativity predicts that light bends when it is near a very massive object, so it suffers a distortion. But this distortion does not correspond to the measurement of galaxies as we know them with the telescope. Then we have to use dark matter in order to consider this light bend coming from a very far galaxy and understand its real measurement.

What is dark matter?

Although we do not know what the dark matter is, part of it maybe comes from objects made of ordinary matter which have not been discovered. But astronomers know that the percentage of this one is very low and there is another part of this unknown matter which is different from ordinary matter. It is thought that they can be predicted subatomic particles which have not been found yet, such as WIMPS or axions, but they are only theories.

We know that a 22% of the universe is dark matter. But, moreover, there is a 74% of dark energy. At the beginnings of the XX century this facts were unknown, it was thought that the universe was a static thing which did not expand or contract. In fact, Albert Einstein, in equations of the theory of relativity, introduced a parameter in order to avoid this expansion showed by the equations. But a few years later it was seen that the universe is expanding.

We also know that this expansion happened because there is a weak luminescence in the whole universe which is remains of it. After the big explosion the universe expanded with an ultra-accelerated speed, but ordinary and dark matter of the universe made the galaxies to gather, stopping the expansion speed. Then, there was a time when expansion was practically lineal. However, between 5000 and 6000 million years ago expansion began to accelerate again, and the current stage of the universe began. The cause was an unknown energy, dark energy. We do not know the nature of this energy and we do not know if, in the future, it will continue expanding the universe in a more and more accelerated way or, on the contrary, matter will win and will stop the expansion. So, if we want to know the evolution of the universe we need to know the nature of dark energy and dark matter.

Once again, problems coming from cosmos physics put Physics basis upside down, as it happened many times in science history.