¿Qué es la materia oscura?

La materia oscura es el pegamento invisible que mantiene unido al universo. Este misterioso material se encuentra a todo nuestro alrededor y constituye la mayor parte de la materia que existe en el universo. Pero, ¿qué es exactamente la materia oscura? Esa es una pregunta que los científicos han estado tratando de resolver durante casi 100 años.

La materia oscura constituye la mayor parte de la masa de las galaxias y los cúmulos de galaxias. De hecho, los científicos estiman que la materia ordinaria constituye solo alrededor del 5% del universo, mientras que la materia oscura constituye alrededor del 27%. (Se cree que el resto es energía oscura, lo cual es otro misterio). Se piensa que la materia oscura da forma al cosmos, y organiza las galaxias y los objetos cósmicos a gran escala.

Desde las estrellas y las galaxias hasta los zapatos que llevamos puestos, la materia ordinaria constituye todo lo que podemos ver en el universo, en longitudes de onda que van desde el infrarrojo hasta la luz visible y los rayos gamma. Aunque la materia oscura interactúa con la materia ordinaria por medio de la gravedad, no parece interactuar en absoluto con el espectro electromagnético, incluida la luz visible. Por lo tanto, la materia oscura no absorbe, refleja ni emite luz.

Aunque la materia oscura es invisible, tiene algunas características en común con la materia común: ocupa espacio y contiene masa. Debido a esto, podemos ver cómo interactúa e influye en la materia ordinaria en todo el universo, y esta es la forma en que podemos “ver” y estudiar la materia oscura.

Entonces, ¿qué podemos ver? ¿Y qué hemos visto que nos hace estar tan seguros de que la materia oscura existe?

Descubrimiento de la materia oscura

Podría parecer imposible descubrir algo que no se puede ver, pero los científicos han estado tratando de desentrañar el misterio de la materia oscura desde al menos la década de 1930. Fue durante este tiempo que los astrónomos observaron lo que parecía ser “materia faltante” en las galaxias.

Aunque el término materia oscura fue mencionado en publicaciones anteriores, el concepto actual de materia oscura se materializó a principios de la década de 1930. En 1933, el astrónomo suizo Fritz Zwicky publicó un artículo en el que describía una anomalía que observó al estudiar un cúmulo de galaxias conocido como el cúmulo de Coma. Advirtió que las galaxias en este cúmulo se movían demasiado rápido para la gravedad que creaba su materia ordinaria observada. Las galaxias debían haber escapado del cúmulo pero, en cambio, se mantenían juntas.

Después de advertir esta discrepancia, Zwicky sugirió que podría haber una forma invisible de materia que creó la gravedad que mantiene unidas a estas galaxias. Denominó a este misterioso material “dunkle Materie”, que en alemán significa materia oscura.

Si bien estas primeras investigaciones despertaron ideas y curiosidad en torno a la materia oscura, todavía se le consideraba un concepto marginal sin evidencia suficiente que lo respaldara.

Eso cambió en la década de 1970 cuando la astrónoma estadounidense Vera Rubin observó este problema de “materia faltante” en las galaxias espirales. Rubin observó las estrellas en los bordes exteriores de las espirales. Para explicar por qué estas estrellas se movían tan rápido como lo hacían sin irse volando al espacio intergaláctico, tenía que haber una gran cantidad de materia que las mantuviera en su lugar. Pero, al no ver nada de esta materia, Rubin concluyó que estas galaxias debían estar unidas por la materia oscura.

El descubrimiento de Rubin proporcionó una evidencia tan sólida de la materia oscura que el concepto fue adoptado por la comunidad científica. Hoy en día, aunque no todos los astrónomos están de acuerdo en lo que podría ser la materia oscura, su existencia es ampliamente aceptada.

Estudio de la materia oscura

Hoy en día, los científicos tienen evidencia aún más directa de la materia oscura. Aunque la materia oscura no interactúa con la luz, su gravedad puede curvar la luz de las galaxias lejanas, creando un efecto llamado lente gravitatoria. Estudiar galaxias distorsionadas por lentes gravitatorias puede ayudar a los científicos a comprender mejor la materia oscura y el lugar que esta ocupa en el universo.

En 2006, los científicos observaron el cúmulo Bala y descubrieron algunas de las mejores pruebas directas de la materia oscura. Este cúmulo de galaxias, formalmente conocido como 1E 0657-56, fue creado cuando dos grandes cúmulos de galaxias chocaron en un evento extremadamente energético que ocurrió a unos 3.800 millones de años luz de la Tierra.

Durante esta colisión, el gas caliente de un cúmulo interactuó con el gas caliente del otro. En la imagen de abajo, el gas caliente emisor de rayos X, hecho de materia normal y detectado por el Observatorio de rayos X Chandra de la NASA, se muestra en color rosa. Las zonas azules muestran la distribución de la materia oscura y fueron descubiertas utilizando lentes gravitatorias captadas por el telescopio espacial Hubble de la NASA y el telescopio gigante de Magallanes, el cual es operado por un consorcio internacional. Las regiones en azul representan la mayor parte de la masa dentro de estos cúmulos y están distribuidas de manera diferente que el gas caliente. Los investigadores piensan que este material es probablemente materia oscura. Por lo tanto, en esta imagen, podemos ver evidencia directa de la materia oscura con nuestros propios ojos.

Con evidencia suficiente para respaldar la existencia de la materia oscura, los científicos están trabajando arduamente para explorar no solo qué es la materia oscura sino también dónde está distribuida por todo el universo.

Dado que la materia oscura es esencialmente el pegamento que mantiene unido al universo, una mejor comprensión de la distribución de la materia oscura ayudará a responder grandes preguntas cósmicas acerca de cómo está organizado el universo y cómo ha cambiado a lo largo de la historia cósmica. Los mapas que muestran la distribución de la materia oscura, creados con la ayuda de misiones como el próximo telescopio espacial Nancy Grace Roman de la NASA, ayudarán a los científicos a responder estas preguntas y a continuar reconstruyendo la extraña y verdadera historia de nuestro universo.

Medición de la temperatura de la materia oscura

Debido a que la materia oscura tiene masa, también debe tener una temperatura.

Durante un tiempo, los científicos consideraron dos opciones para su composición: materia oscura fría formada por partículas de movimiento lento y materia oscura cálida o caliente formada por partículas de movimiento más rápido.

En simulaciones, los científicos hicieron modelos para representar cómo actuaría nuestro universo si la materia oscura fuera fría y lenta en comparación con si fuera caliente, o cálida, y rápida. Mostraron que con la materia oscura fría, las estructuras del universo parecen existir y moverse como se observan en la realidad. Sin embargo, cuando se llevaron a cabo simulaciones con materia oscura cálida o caliente, las estructuras cósmicas no parecen ser capaces de mantenerse unidas y no pueden existir de la manera como las observamos.

Sobre la base de dichas simulaciones, los científicos actualmente están de acuerdo en que lo más probable es que, sea lo que sea la materia oscura, es fría o de movimiento lento. Además, se cree que esta fría materia oscura se formó en el universo primitivo con una velocidad lo suficientemente baja como para permitir que las galaxias se formaran y se distribuyeran como las vemos hoy en día.

Principales candidatos para la materia oscura

Actualmente se proponen muchas explicaciones para lo que constituye la materia oscura. De hecho, los científicos piensan que es posible que la materia oscura esté compuesta por más de un tipo de materia o partícula.

A continuación, se presentan algunos de los candidatos actuales que tienen más respaldo de la comunidad científica. Para dar un contexto, los científicos han estado buscando a estos candidatos, pero aún no han encontrado evidencia que confirme a ninguno. También es posible que sigan surgiendo nuevos candidatos.

WIMP

Los axiones son partículas subatómicas hipotéticas que los científicos creen que poseen poca masa y poca energía. La existencia de esta partícula fue postulada por primera vez en 1977 como una solución a un problema fundamental dentro de la física de partículas denominado problema CP fuerte. (CP significa simetría de conjugación de carga y simetría de paridad).

En esencia, el problema consiste en que cuando las partículas de materia normal se invierten o se intercambian con partículas de antimateria, las leyes de la física deberían seguir siendo las mismas, y las partículas deberían ser simétricas y anularse. Esto significaría que, en los primeros momentos del universo, la materia y la antimateria debían haberse cancelado entre sí. Pero no fue así. Los científicos propusieron los axiones como una partícula hipotética que podría resolver el problema CP fuerte al violar esta simetría de modo de permitir que prosperara la materia normal.

Los científicos piensan que estas partículas hipotéticas podrían ser materia oscura y han encontrado evidencia adicional de la existencia de axiones a lo largo de los años. Los científicos también han utilizado datos de telescopios de la NASA como Fermi, Chandra y el Conjunto de Telescopios Espectroscópicos Nucleares (NuSTAR, por sus siglas en inglés) para buscar evidencia de oscilaciones de los axiones en rayos X y rayos gamma.

Agujeros negros primordiales

Los agujeros negros son los objetos más densos del universo y tienen una gravedad tan extrema que en cierto punto ni siquiera la luz puede escapar de ellos. Los agujeros negros primordiales son agujeros negros hipotéticos que los científicos creen que se formaron justo después del nacimiento del universo. Los agujeros negros primordiales podrían ser tan pequeños como un átomo o tan grandes como un agujero negro supergigante, con una masa que podría ser desde 100.000 veces menos masiva que un clip hasta 100.000 veces más masiva que el Sol. Estudios recientes sugieren que un agujero negro primordial podría atravesar nuestro sistema solar una vez cada 10 años, lo que permitiría a los científicos estudiarlos directamente.

Una teoría, propuesta por el físico Stephen Hawking, sugiere que después de que los agujeros negros primordiales se formaron a partir de materia normal al comienzo del universo, colapsaron y se convirtieron en materia oscura que se extendió por todo el universo. Los científicos utilizan los datos de Fermi para buscar indicios de la evaporación de los agujeros negros primordiales.

Materia oscura versus energía oscura

La materia oscura suele causar confusión debido a su nombre. La materia oscura no es de color oscuro. Más bien, se le denomina “oscura” porque es invisible para nosotros, ya que no absorbe, refleja ni emite ninguna luz.

Otro concepto erróneo sobre la materia oscura se relaciona con la energía oscura. Aunque ambos son misterios cósmicos que tienen “oscura” en su nombre, no son lo mismo. La materia oscura es un tipo misterioso de materia que mantiene unidas a las galaxias. La energía oscura es el nombre que los científicos han dado a lo que ocasiona que nuestro universo se expanda a un ritmo acelerado con el tiempo, el cual es otro misterio cósmico. La energía oscura no se concentra en galaxias o cúmulos de galaxias; en cambio, los científicos creen que está extendida por todo el universo.

Tanto la materia oscura como la energía oscura plantean preguntas profundas y sin respuesta acerca del universo. Aunque son fenómenos distintos, los científicos están cartografiando la distribución de la materia oscura para ayudarnos a comprender la expansión acelerada del universo causada por la energía oscura.

Por Chelsea Gohd
Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA