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Carlos del Porto Blanco

Casi un 30 por ciento de toda la materia en el universo, en concreto, el 27 por ciento, está hecha de un material que los científicos nunca han visto. Solo el cinco por ciento es materia visible. No es nada de lo que hayamos oído hablar antes, pero, sin duda, está ahí. Se llama materia oscura y se asume que existe porque, sin ella, el comportamiento de las estrellas, los planetas y las galaxias, simplemente, no tendría sentido. De eso hablaremos en la columna de hoy.

En algún lugar, algo increíble está esperando a ser descubierto. Carl Sagan.

Este tema sigue siendo un auténtico enigma en la ciencia. Y es que, en todos los rincones, incluso en los más profundos del universo, existe un misterio cósmico que ha desconcertado a los científicos durante décadas, la materia oscura. Aunque invisible a los ojos y escurridiza para los detectores, esa forma de materia constituye la mayoría de la masa en el universo. La materia oscura es uno de los mayores enigmas de la astrofísica moderna: una sustancia invisible que constituye el 85% de la materia del universo. Aunque no emite, refleja ni absorbe luz, su existencia se infiere por sus efectos gravitacionales en galaxias y cúmulos estelares.

¿Qué es la materia oscura?

Los avances tecnológicos han consolidado cuatro pruebas principales sobre la materia oscura:

  1. Curvas de rotación galáctica: Velocidades orbitales de estrellas que desafían predicciones (ejemplo: la Vía Láctea).
  2. Lentes gravitacionales: Distorsiones de la luz de objetos distantes, como en el Cúmulo Bala, donde la materia oscura separa la masa visible del gas caliente.
  3. Formación de estructuras: Sin su gravedad, el universo no habría desarrollado galaxias en 13 800 millones de años.
  4. Fondo cósmico de microondas: Patrones de temperatura revelan cómo la materia oscura moldeó el universo temprano.

Los efectos gravitacionales de la materia oscura han dejado huellas intrigantes que instigan a explorar sus secretos ocultos. La materia oscura, como su nombre indica, es invisible y no interactúa con la luz ni con las fuerzas electromagnéticas conocidas. Sin embargo, su presencia se revela a través de los útiles pero poderosos efectos gravitacionales que ejerce sobre la materia visible. Su influencia se extiende desde las galaxias más distantes hasta las estructuras cósmicas a gran escala, dando forma al universo de una manera que aún se trata de comprender. La materia oscura juega un papel esencial en la estructura y evolución del cosmos, influyendo en la formación de las galaxias, en la distribución de la materia y en la expansión del propio universo.

Para ilustrar mejor lo planteado, veamos un ejemplo práctico, imagine un remolino de agua. Si solo viera las hojas flotando en la superficie, pensaría que giran por arte de magia. Pero en realidad, hay corrientes invisibles bajo el agua que las mueven. Así funciona la materia oscura: no la vemos, pero su gravedad moldea las galaxias.

A pesar de su importancia, la materia oscura sigue siendo un enigma. Los científicos realizan una búsqueda incansable para descubrir su naturaleza y para comprender sus propiedades. ¿De qué está compuesta?, ¿Son partículas aún no descubiertas las que la conforman?, ¿Existen fenómenos físicos desconocidos que dan lugar a su misteriosa presencia en el universo? La materia oscura es completamente invisible, no emite luz ni energía y, por lo tanto, no puede ser detectada por los sensores y detectores habituales que se poseen en la Tierra. La clave de su naturaleza esquiva debe estar en su composición o, al menos, eso es lo que creen los expertos en la materia. Pero entonces, ¿cómo se puede saber que existe?

La explicación cosmológica que se da a esos fenómenos es que, además de esa materia normal existe una materia oscura fría. Porque hay otro tipo de materia oscura muy conocida desde el final del siglo pasado que son los neutrinos (https://www.radioreloj.cu/noticias-radio-reloj/ciencia/el-neutrino-una-particula-esquiva/ ). Esos no interaccionan con nada, son como partículas fantasmas, pero se sabemos que están ahí porque se han detectado, aunque todavía no se conozca su masa. Sin embargo, son partículas demasiado ligeras y rápidas para estar al inicio de la formación de las grandes estructuras que se observan en el universo: galaxias, cúmulos de galaxias, y otros.

A diferencia de la materia ordinaria que se conoce, que son las estrellas, los planetas, las galaxias, la materia oscura no interactúa con la luz ni con fuerzas electromagnéticas, y eso significa que no se puede detectar directamente con los instrumentos que se utilizan para estudiar el cosmos. Pero sí se puede saber que hay algo más allá fuera, ya que su existencia se deduce a través de su fuerza gravitacional. Los astrónomos han observado que la materia oscura ejerce una fuerza gravitatoria en la materia visible que se encuentra a su alrededor, y a medida que estudian las galaxias y las estructuras cósmicas, pueden ver los efectos de la gravedad de la materia oscura en el movimiento de las estrellas y en la distribución a la materia en el universo. Por ejemplo, la forma en la que las galaxias giran y se mantienen unidas no puede explicarse solo por la gravedad generada por la materia visible. Se cree que la materia oscura ejerce una fuerza gravitacional adicional que contribuye a la formación de estructuras cósmicas a gran escala.

Existen varias teorías sobre qué podría ser la materia oscura. Una posibilidad es que esté compuesta por partículas subatómicas aún desconocidas. Algunas teorías sugieren la existencia de partículas un tanto exóticas, como son los axiones, que son unas partículas hipotéticas, o las partículas supersimétricas, pero hasta ahora no se ha encontrado evidencia experimental sólida que respalde alguna de esas teorías. La comprensión de la materia oscura es, por lo tanto, fundamental para obtener una imagen completa de la formación y la evolución del universo. Solo a través de la investigación y del desarrollo de tecnologías más avanzadas, los científicos esperan desentrañar este misterio de la materia oscura y responder a las preguntas fundamentales sobre la naturaleza del cosmos.

 

Tipo Ejemplos Estado actual
Bariónica Agujeros negros, enanas marrones Descartada: solo explica el 5%
No Bariónica WIMP (partículas masivas de interacción débil, incluyendo neutralinos), axiones, neutrinos estériles Principal enfoque de investigación

 

¿Cómo evolucionó el concepto de la materia oscura?

La existencia de la materia oscura quedó confirmada a partir de 1974, aunque hasta 1980 aún se la llamaba “masa perdida” (missing mass) o “masa no visible” (unseen mass). Fritz Zwicky usó por primera vez el término “materia oscura” (“dunkle Materie” en alemán) en 1933. Pero ya en 1922 las estimaciones de la masa del disco galáctico de la Vía Láctea realizadas por James Jeans y Jacobus Kapteyn ya habían indicado la presencia de “estrellas oscuras” (tres estrellas tan poco luminosas que no se veían por cada una que era visible), algo que Jan Hendrik Oort confirmó en 1932.

En el siglo XIX se descubrió que las estrellas no estaban fijas en el cielo y se movían. Hasta 1918 se creía que el universo era la Vía Láctea y tenía al Sistema Solar en su centro. Las estrellas se movían con velocidades radiales alrededor del Sistema Solar. Muchos astrónomos de principios del siglo XX trataron de obtener un mapa de las velocidades de las estrellas en el universo, entre ellos Kapteyn, Jeans, Eddington, Karl Schwarzschild, Strömberg, y Oort, con el objetivo de determinar la masa total del universo, tanto de la masa visible (estrellas y nebulosas), como de la no visible (otros objetos que no brillan como planetas y polvo interestelar). Ernst Opik (1915) demostró que la densidad de materia del universo (nuestro entorno local dentro de la Vía Láctea) estaba dominada por la materia visible (estrellas) y que la materia no visible era despreciable.

En 1920 el astrónomo belga, Lehmet, propuso la idea de que el universo se estaba expandiendo, pero sería el astrónomo estadounidense Edwin Hubble quien proporcionaría la evidencia observacional clave para respaldar esa idea. Opik en 1922 determinó que la Nebulosa de Andrómeda estaba a 440 kilopársec (unidad de longitud utilizada en astronomía, aproximadamente 3.2616 años luz) del centro de la Vía Láctea (la mitad de la distancia correcta). El universo conocido creció hasta abarcar un gran vacío alrededor de la Vía Láctea cuyo centro era el centro de nuestra galaxia. Varios astrónomos decidieron hacer un mapa de las estrellas de nuestra galaxia. En 1922 Kapteyn y Jeans utilizaron esos mapas para estimar su masa total y descubrieron que la Vía Láctea tenía una masa cuatro veces mayor de la observada gracias a las estrellas. Según Jeans “debía haber tres estrellas oscuras en el universo por cada estrella (visible).”

Hubble entre los años 1924 al 1929 descubrió que las nebulosas eran galaxias como la nuestra y que el universo estaba formado por galaxias, las que estaban en expansión y la Vía Láctea no estaba en su centro. Oort en 1932 determinó la densidad de la Vía Láctea y observó que el 40 % estaba constituido por las estrellas y el resto por algún gas desconocido. Zwicky en 1933 estudió las velocidades de las galaxias en el cúmulo galáctico de Coma y encontró que la masa de dichas galaxias era 100 veces menor de lo necesario para explicar sus velocidades. Acuñó el término materia oscura para denominar a las galaxias enanas (no visibles) y al gas intergaláctico responsable del 99% de la masa del cúmulo de Coma. Sinclair Smith en 1936 encontró un resultado similar en el cúmulo galáctico de Virgo.

Algunas personas consideran que Zwicky descubrió la materia oscura gracias a las curvas de rotación de las estrellas alrededor de galaxias, pero no fue así. Las primeras mediciones fueron realizadas por Horace Babcock en 1939 para Andrómeda (M31), Mayall y Aller en 1940 para la galaxia del Triángulo (M33) y Oort en 1940 para la galaxia de Spindle (NGC 3115). Éstos observaron que conforme nos alejamos del centro galáctico la velocidad radial de las estrellas se mantiene casi constante en lugar de descender, como se esperaría en una distribución de materia en forma de disco. Parecía como si la masa de la galaxia estuviera distribuida en forma esférica.

Tras la II Guerra Mundial, solo Zwicky y Oort reivindicaban la existencia de la materia oscura. Los datos sobre la “masa perdida” en los cúmulos de galaxias se acumularon durante los años 50, aunque su interpretación generó muchas dudas (los errores en las medidas eran muy grandes). El descubrimiento de la radiación cósmica de fondo de microondas en los años 60 fue el espaldarazo definitivo para la teoría de la gran explosión (Big Bang). Su gran isotropía fue un problema ya que la materia “ordinaria” (bariónica) no podía explicarla. Ya en 1972 se creía que debía existir materia no bariónica en el universo y se propusieron varios posibles candidatos, como los neutrinos, agujeros negros primordiales, singularidades en el espacio-tiempo, y otros. Muy pocos investigadores se acordaron de la materia oscura de Oort y Zwicky.

La materia oscura empezó a ser aceptada gracias a las curvas de rotación galáctica que mostraban que la velocidad de las estrellas no decrece conforme nos alejamos del centro galáctico. Entre 1961 y 1974 se midieron esas curvas para muchas galaxias, pero la medición era difícil y los resultados eran contradictorios. En los años 70, la astrónoma estadounidense Vera Rubin revolucionó este campo de investigación. Al analizar la rotación de la galaxia Andrómeda (M31), notó que las estrellas en sus bordes giraban a velocidades similares a las del centro, contradiciendo las leyes de Newton. Eso solo era posible si un halo invisible de materia rodeaba la galaxia, aportando gravedad adicional.

Rubin demostró que las galaxias contenían de cinco a diez veces más materia oscura que visible. Vera Rubin es considerada la descubridora oficial de las curvas planas de rotación galáctica. Todo indicaba que las galaxias tenían un halo de materia oscura pero no se descubrió que ese halo de materia oscura era necesario para estabilizar las galaxias. El artículo definitivo que encumbró a la materia oscura como parte íntegra de la astrofísica moderna fue publicado en Nature en 1974 (“Missing mass around galaxies: morphological evidence”).

Durante los 1980 la teoría de la inflación cósmica de Guth en 1981 y Linde en 1982 llevó a los cosmólogos a pensar que el universo era plano. Faltaba materia bariónica en el universo. Tampoco había suficiente materia oscura. Se empezó a reivindicar un valor no nulo de la constante cosmológica o algún tipo de “energía oscura” (se le llamaba quintaesencia). Tampoco se sabía si la materia oscura era fría (WIMP, MACHO, y otros) o caliente (neutrinos, y otros) o incluso si la había de ambos tipos. Hubo que esperar a las medidas de las anisotropías del fondo cósmico de microondas obtenidas por el satélite COBE (lanzado en 1989) publicadas en 1992 y 1993.

El modelo del universo llamado “? CDM” (con materia oscura fría y constante cosmológica no nula) apareció en 1993. Las medidas de COBE no permitieron determinar si el universo era plano. Había que estudiar si la expansión cósmica se estaba desacelerando. Dos grupos emprendieron un estudio de supernovas tipo Ia para comprobarlo, descubriendo que la expansión cósmica se estaba acelerando. Nació la energía oscura y el modelo “? CDM” gracias a los datos del fondo cósmico de microondas del satélite WMAP (lanzado en 2001) quedó confirmado como modelo cosmológico de consenso.

Los resultados

El 68 por ciento del universo, es decir, casi dos tercios, se compone de energía oscura. A diferencia de la materia oscura, que tiene una influencia gravitacional y ralentiza la expansión, la energía oscura parece tener un efecto repulsivo, lo que acelera la expansión del universo en lugar de frenarla. La existencia de la energía oscura se propuso por primera vez en la década de 1990, cuando los astrónomos observaron que la velocidad de expansión del universo estaba aumentando con el tiempo, y ese hallazgo hizo que sus descubridores ganaran el Premio Nobel de Física en 2011. La naturaleza exacta de la energía oscura aún es objeto de debate y se desconoce su origen fundamental. Otra posible hipótesis alternativa, propuesta por los físicos Stephen Hawking y Bernard Carr en 1974, es la existencia de agujeros negros primordiales después del Big Bang que representan toda la materia oscura en el universo.

En conjunto, la energía oscura y la materia oscura componen el 95 por ciento del universo, eso es prácticamente todo el cosmos. Eso quiere decir que lo que se conoce y comprende es tan solo un cinco por ciento. La energía como la luz, el calor, los rayos X, junto con la materia, las personas, los elefantes, el planeta tierra, el Sol, todas las galaxias son solo un cinco por ciento del universo, y realmente eso no es mucho.

La búsqueda de materia y energía continúa siendo un campo de investigación activo en la actualidad. Los científicos llevan a cabo una gran variedad de experimentos y observaciones para tratar de comprender a esas dos enigmáticas entidades. El progreso tecnológico en las últimas décadas ha sido enorme. Hay decenas de experimentos activos dedicados a comprender la naturaleza de la materia oscura con instrumentos que tienen una altísima precisión y también una altísima sensibilidad. Esos experimentos están repartidos por todo el mundo, incluso hay uno en la Estación Espacial Internacional y son parte de colaboraciones internacionales de decenas de científicos.

Fechas señaladas

  • En los años 70: Vera Rubin confirma la existencia de la materia oscura, pero no recibe el Nobel (un hecho que muchos consideran injusto).
  • En 2006: El telescopio espacial Hubble capta el «Anillo de Materia Oscura« en el cúmulo de galaxias Cl 0024+17, una de las pruebas visuales más impactantes.
  • En 2021: El experimento LUX-ZEPLIN inicia un proceso de materia oscura.
  • En 2021: Satélites como el Euclid y Nancy Grace Roman inician misiones para cartografiar materia oscura.
  • En 2024: Un equipo internacional publicó el mapa más detallado de su distribución, combinando datos de 100 millones de galaxias. Reveló «filamentos» invisibles que conectan cúmulos cósmicos.
  • Cada 23 de julio: Día de Vera Rubin, celebrando su legado en astronomía

Aunque su existencia es incuestionable, la naturaleza de la materia oscura sigue siendo un rompecabezas hoy en día. ¿Es una partícula exótica predicha por la supersimetría? ¿O requiere modificar las leyes de la gravedad? Como dijo Vera Rubin: «La ciencia avanza con preguntas, no con respuestas». Hoy, telescopios de nueva generación y detectores subterráneos buscan desentrañar ese enigma que redefine nuestro lugar en el cosmos. El físico estadounidense Michio Kaku lo resumió de una firma sencilla: «El universo es una sinfonía, y la materia oscura es la nota que aún no podemos oír». ¿Lograremos descifrarla pronto? El tiempo, y la ciencia, lo dirán.

Referencias.

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