Materia oscura

Qué es la materia oscura

Al ajustar un modelo teórico de la composición del Universo al conjunto combinado de observaciones cosmológicas, los científicos han llegado a la conclusión de que el 27% del Universo es materia oscura, pero ¿Qué es la materia oscura?

Aunque existen teorías sobre cuándo y cómo se habría formado cada candidato a materia oscura, lo único que los científicos saben con certeza es que la materia oscura ya existía 75 mil años después del Big Bang.

Durante los primeros 150 millones de años después del Big Bang, no hubo galaxias, estrellas ni planetas. El Universo no tenía estructura.

Fue entonces cuando la materia empezó a dominar a la radiación y empezaron a formarse pequeñas semillas de estructura que con el tiempo formarían estrellas, galaxias y cúmulos galácticos.

La materia oscura fue la columna vertebral de este proceso, al atraer gravitatoriamente a la materia ordinaria y favorecer la creación de estructura en el Universo. No podemos comprender la formación de galaxias sin comprender la materia oscura.

Un gas invisible entre galaxias

En algunos cúmulos galácticos, el espacio entre galaxias está lleno de un gas tan caliente que los científicos no pueden verlo con telescopios de luz visible: solo puede verse en forma de rayos X o rayos gamma.

Los científicos observaron este gas y midieron cuánto hay entre las galaxias, dentro de los cúmulos galácticos, y al hacer esto, descubrieron que debe haber cinco veces más materia en los cúmulos galácticos de la que podemos detectar.

A esta materia que no podemos ver, pero que sabemos de su existencia por el efecto gravitatorio que ejerce sobre la materia ordinaria, la llamamos «materia oscura».

El origen de la materia oscura

El término «materia oscura» fue utilizado por primera vez en 1933 por el astrónomo suizo Fritz Zwicky, que estudió el llamado cúmulo de galaxias Coma (Abell 1656), en la constelación de Coma Berenices, y en concreto, su velocidad de rotación.

La velocidad que midió Zwicky implicaba que el cúmulo Coma contenía mucha más masa de lo que sugerían las observaciones en luz visible.

Sin embargo, las conclusiones de Zwicky recibieron escasa atención por parte de sus colegas. El desaire fue provocado en parte por su carácter cascarrabias: se refería a sus compañeros astrónomos como “bastardos esféricos”, es decir, que eran bastardos sin importar cómo se los mirara.

Pero un obstáculo aún mayor fue la implicación revolucionaria de su idea: pocos podían aceptar que la mayor parte del Universo estuviese todavía por descubrir, así que la materia oscura sufrió más de tres décadas de abandono.

Hubo que esperar a la década de 1970, cuando la astrónoma estadounidense Vera Rubin y sus colegas confirmaron los resultados de Zwicky: Estudiando las curvas de rotación de las galaxias, descubrieron que las galaxias individuales, no solo los cúmulos, también contienen más masa de lo que mostraban las observaciones.

Curvas de rotación

La mayor parte de la materia visible en una galaxia está agrupada en el centro, por lo que es esperable que las estrellas más cercanas al centro tengan velocidades orbitales mayores que las estrellas más alejadas de él, de manera similar a lo que ocurre con los planetas en nuestro Sistema Solar.

Sin embargo, lo que observamos es que todas las estrellas de una galaxia giran aproximadamente a la misma velocidad: La curva de rotación es esencialmente plana en lugar de caer. Una posible solución es que las galaxias están rodeadas por un halo de materia oscura.

Curva de rotación observada de la galaxia espiral Messier 33 (Línea blanca continua, resultado de unir los puntos amarillos y azules con barras de error), y la prevista a partir de la distribución de materia visible (línea gris discontinua). La discrepancia entre las dos curvas se puede explicar añadiendo un halo de materia oscura alrededor de la galaxia. Crédito: Wikipedia.
Curva de rotación observada de la galaxia espiral Messier 33 (Línea blanca continua, resultado de unir los puntos amarillos y azules con barras de error), y la prevista a partir de la distribución de materia visible (línea gris discontinua). La discrepancia entre las dos curvas se puede explicar añadiendo un halo de materia oscura alrededor de la galaxia. Crédito: Wikipedia.

Características de la materia oscura

El trabajo de Rubin y su equipo ayudó a establecer firmemente el concepto de materia oscura como un misterioso tipo de materia que:

  • No interacciona con la fuerza electromagnética (no absorbe, ni refleja, ni emite luz).
  • Tampoco interacciona con la materia bariónica (ordinaria).
  • No la podemos ver, pero ejerce un efecto gravitatorio medible sobre la materia ordinaria, y de esta manera la podemos detectar.

Conjeturas sobre la materia oscura

Por definición, materia bariónica se refiere a la materia compuesta solo de bariones. En otras palabras, protones, neutrones y todos los objetos compuestos por ellos (es decir, núcleos atómicos), pero excluyendo a los electrones y neutrinos, que en realidad son leptones.

En astronomía, sin embargo, el término “materia bariónica” se utiliza de manera más laxa, ya que a escalas astronómicas, los protones y neutrones siempre van acompañados de electrones (en cantidades apropiadas para que los objetos astronómicos posean una carga neta casi nula).

Por lo tanto, los astrónomos emplean el término «bariónico» para referirse a todos los objetos hechos de materia atómica ordinaria, ignorando esencialmente la presencia de electrones, ya que, después de todo, representan tan solo ~0,0005 de la masa.

Las posibles explicaciones de la naturaleza de la materia oscura. (Imagen: G. Bertone y T. M. P. Tait)
Las posibles explicaciones de la naturaleza de la materia oscura. (Imagen: G. Bertone y T. M. P. Tait)

MACHOs

Pues bien, la materia bariónica, aún podría formar la materia oscura si estuviera toda confinada en el interior de enanas marrones: estrellas «fallidas» que nunca se encendieron por carecer de la masa necesaria para comenzar a arder.

Pero la materia oscura también podrían ser enanas blancas, restos de núcleos de estrellas muertas de tamaño pequeño a mediano, o incluso estrellas de neutrones o agujeros negros, los restos de la explosión de estrellas masivas.

Estas posibilidades se conocen como objetos masivos de halo compacto, o «MACHO».

Sin embargo, existen problemas con esta suposición: Los científicos tienen pruebas sólidas de que no hay suficientes enanas marrones o enanas blancas para explicar toda la materia oscura, y además los agujeros negros y estrellas de neutrones también son raros.

WIMPs

Por eso, la opinión más común es que la materia oscura no es bariónica en absoluto, sino que está formada por otras partículas más exóticas como los axiones y las WIMPS (partículas masivas de interacción débil), predichas por la teoría, pero que los científicos aún no han observado.

Las WIMP, se moverían lo suficientemente despacio en comparación con la luz (partículas «frías») como para fusionarse y formar pozos gravitacionales, que habrían creado agrupaciones de materia por atracción gravitatoria.

Las WIMPs podrían interactuar por medio de la gravedad con la materia visible y también a través de interacciones nuevas no asociadas al Modelo Estándar, de magnitud similar a las interacciones asociadas a la fuerza nuclear débil.

No se pueden ver directamente, ya que no interactúan con la luz y no emiten radiación electromagnética. Tampoco reaccionan enérgicamente con el núcleo del átomo, debido a que no interactúan con la fuerza nuclear fuerte.

Debido a que las teorías supersimétricas predicen una nueva partícula con las propiedades de las WIMPs, una coincidencia conocida como el «milagro WIMP», durante mucho tiempo el principal candidato a WIMP ha sido una pareja supersimétrica estable.

Sin embargo, los recientes resultados negativos en experimentos de detección directa, junto con la imposibilidad de producir evidencia de supersimetría en el experimento del Gran Colisionador de Hadrones (LHC), han puesto en duda esta hipótesis.

Axiones

El axión es una partícula hipotética que lleva el nombre de un detergente para ropa, porque sus supuestas propiedades «limpiaron» un conflicto entre una teoría conocida como cromodinámica cuántica y ciertos resultados experimentales.

A diferencia de los otros candidatos a materia oscura, los axiones serían extremadamente fríos y ligeros.

Con una masa inferior a la millonésima parte de la diminuta masa del electrón, los axiones son tan ligeros que se los describe mejor como ondas, cuyos campos asociados pueden extenderse a lo largo de kilómetros.

A pesar de ser tan extremadamente ligeros, los axiones existirían en cantidades tan grandes, que podrían explicar gran parte de la materia oscura del Universo.

Debido a que existen cerca del cero absoluto, la temperatura donde se detiene todo movimiento, los axiones esencialmente no se mueven, por lo que son una especie de fluido fantasmal, a través del cual se mueve todo lo demás.

Si los axiones existiesen en abundancia, los campos magnéticos que impregnan la Vía Láctea los dispersarían ocasionalmente, lo que generaría ondas de radio de una frecuencia que depende de la masa del axión.

El detector de axiones más avanzado del mundo, en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en California, busca esas ondas de radio en una amplia banda de frecuencias. Sin embargo, hasta ahora todas las búsquedas de axiones han resultado infructuosas.

Neutrinos

En el Modelo Estándar los neutrinos son considerados partículas “calientes”, lo que significa que viajan a velocidades cercanas a la de la luz. Sin embargo, para que una partícula constituya mayoritariamente materia oscura, debe ser «fría» o «templada», es decir, viajar lentamente en comparación con la luz.

Si toda la materia oscura fuese «caliente» no habría galaxias, ya que las partículas se moverían a demasiada velocidad como para poder crear agrupaciones de materia ordinaria por interacción gravitatoria.

Neutrinos reliquia

Los neutrinos creados durante los primeros instantes del Universo, llamados «neutrinos reliquia», o fondo cósmico de neutrinos, eran «calientes» y por ello no podían constituir más que una pequeña porción de toda la materia oscura.

Pero a pesar de su pequeña contribución, estos neutrinos reliquia son actualmente el único componente conocido de la materia oscura y tienen un impacto importante en la evolución del Universo.

Neutrinos «estériles»

Aunque los neutrinos sean demasiado «calientes» para constituir la mayoría de la materia oscura, todavía hay esperanza para un tipo especial de neutrino.

Experimentos recientes, como la oscilación de neutrinos, fenómeno predicho por primera vez por el físico italiano Bruno Pontecorvo en 1957, han demostrado que los neutrinos tienen una masa distinta de cero.

Este resultado no está contemplado por el modelo estándar, lo que sugiere la existencia de una física nueva y desconocida aún por descubrir.

Por ello, físicos dirigidos por Arunansu Sil, del Instituto Indio de Tecnología en Guwahati, han desarrollado un nuevo modelo matemático para un hipotético neutrino «templado» que no interactúa, llamado «neutrino estéril».

Los «neutrinos estériles» serían partículas que interactúan solo a través de la gravedad y no a través de ninguna de las otras interacciones fundamentales del modelo estándar. El término «estéril» se utiliza para distinguirlos de los neutrinos activos ordinarios conocidos en el Modelo Estándar.

Supersimetría

La supersimetría sostiene que las intensidades de la fuerza electromagnética, la fuerza débil y la fuerza fuerte, se igualan a energías extremadamente altas, lo que sugiere que las fuerzas fundamentales que observamos hoy, estaban unificadas en el Universo primitivo.

En las teorías supersimétricas, cada partícula tiene una “supercompañera” aún no descubierta, con muchas propiedades similares. Los fermiones se emparejan con bosones y viceversa. La idea de una simetría entre fermiones y bosones se originó a principios de la década de 1970 para abordar una cuestión matemática de la teoría de cuerdas.

Muchos modelos supersimétricos predicen la existencia de una nueva partícula estable e invisible, la partícula supersimétrica más ligera (LSP), que tiene las propiedades adecuadas para ser una partícula de materia oscura.

Cuando en 2009 entró en funcionamiento el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), muchos físicos de partículas pensaron que el descubrimiento de supercompañeros era inminente. Nada más lejos de la realidad.

Los físicos del LHC buscaron la producción en pares de dos partículas supersimétricas pesadas, cada una de las cuales se desintegraría en partículas observables del modelo estándar y un LSP, pero después del descubrimiento triunfal del bosón de Higgs, no se encontraron más partículas fundamentales nuevas.

Si la supersimetría existe, aún hay dos posibilidades: o todas las partículas supersimétricas son demasiado pesadas para ser producidas con las energías accesibles a los aceleradores de partículas actuales, o las colisiones de partículas en el LHC sí crean realmente «supercompañeros», pero por alguna razón no somos capaces de detectarlos.

MoND

En 1983, el físico israelí Mordehai Milgrom, argumentó que nuestro modelo de la gravedad está equivocado: A distancias interestelares, la atracción gravitatoria entre estrellas es esencialmente newtoniana. Entonces, en lugar de modificar la relatividad general, Milgrom propuso modificar la Ley Universal de la Gravedad de Newton.

Según Milgrom, en lugar de que la fuerza de atracción sea una relación puramente de la inversa del cuadrado de las distancias, la gravedad tendría una pequeña atracción remanente independientemente de la distancia. Este pequeño remanente sería suficiente para explicar las curvas de rotación galáctica observadas.

Por supuesto, agregar un término a la gravedad de Newton, por pequeño que sea, significa que también hay que modificar las ecuaciones de Einstein. Así que MoND (Dinámica Newtoniana Modificada) se ha generalizado como AQUAL (una Lagrangiana cuadrática).

Tanto AQUAL como el modelo ΛCDM estándar pueden explicar las curvas de rotación galáctica observadas, sin embargo, el modelo AQUAL está en desacuerdo con los resultados observados en las galaxias empleando el efecto de lente gravitacional.

Lo que no es la materia oscura

¿Qué es la materia oscura?: después de todas estas conjeturas respecto a qué es la materia oscura, resulta que estamos mucho más seguros de lo que no es, que de lo que es:

  • La materia oscura no se encuentra en forma de estrellas ni planetas, como es el caso de la materia ordinaria que podemos ver, ya que hay muy poca materia visible en el Universo (solo alrededor de un 5%) para compensar el 27% que requieren las observaciones.

  • La materia oscura no tiene la forma de nubes oscuras de materia normal, formada por bariones. Sabemos esto porque con la tecnología actual somos capaces de detectar nubes bariónicas, gracias a que absorben la radiación que pasa a través de ellas.

  • La materia oscura no es antimateria, porque no vemos los rayos gamma característicos que se producen cuando la materia y antimateria se aniquilan mutuamente.

  • La materia oscura no está formada por grandes agujeros negros del tamaño de una galaxia: No vemos suficientes fenómenos de lentes gravitacionales en el Universo como para que los agujeros negros masivos constituyan el 27% de materia oscura requerido.

Métodos de detección de la materia oscura

Lentes gravitacionales

Como los científicos no pueden ver la materia oscura, ya que no interacciona con la luz, han encontrado otras formas de investigarla, mediante el uso de lentes gravitacionales.

El cúmulo de galaxias Abell 370, ubicado a unos 4 mil millones de años luz de distancia, contiene una asombrosa variedad de varios cientos de galaxias unidas por la atracción mutua de la gravedad. Enredados entre las galaxias hay arcos de luz azul de aspecto misterioso. En realidad, se trata de imágenes distorsionadas de galaxias remotas detrás del cúmulo. Estas galaxias remotas son demasiado débiles para que el Hubble pueda verlas directamente. En cambio, la gravedad del cúmulo actúa como una enorme lente en el espacio que magnifica y amplía las imágenes de las galaxias de fondo como un espejo de feria.
El cúmulo de galaxias Abell 370, ubicado a unos 4 mil millones de años luz de distancia, contiene una asombrosa variedad de varios cientos de galaxias unidas por la atracción mutua de la gravedad. Enredados entre las galaxias hay arcos de luz azul de aspecto misterioso. En realidad, se trata de imágenes distorsionadas de galaxias remotas detrás del cúmulo. Estas galaxias remotas son demasiado débiles para que el Hubble pueda verlas directamente. En cambio, la gravedad del cúmulo actúa como una enorme lente en el espacio que magnifica y amplía las imágenes de las galaxias de fondo como un espejo de feria.

La luz que pasa a través de una lente gravitacional se dobla como la luz que pasa a través de una lente óptica. Cuando la luz de estrellas distantes pasa a través de una galaxia o cúmulo galáctico, la gravedad de la materia presente en la galaxia o cúmulo hace que la luz se curve.

Como resultado, la luz parece provenir de otro lugar y no de su fuente original. La intensidad de la curvatura ayuda a los científicos a aprender sobre la materia oscura presente.

Rayos gamma

Además de estas formas indirectas, los científicos tienen una forma directa de detectar la materia oscura utilizando el Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi: Según la Supersimetría, cuando dos partículas de materia oscura chocan entre sí, pueden liberar un rayo gamma y el Telescopio Fermi puede detectar estas colisiones, que aparecen como un estallido de rayos gamma en el cielo.

Según la supersimetría, las partículas de materia oscura conocidas como WIMPs se aniquilan entre sí, creando una cascada de partículas y radiación que incluye rayos gamma de energía media. Si existen, el LAT a bordo del Telescopio espacial de rayos gamma Fermi podría ver los rayos gamma asociados con su desaparición. Crédito: Cielo y Telescopio / Gregg Dinderman.
Según la supersimetría, las partículas de materia oscura conocidas como WIMPs se aniquilan entre sí, creando una cascada de partículas y radiación que incluye rayos gamma de energía media. Si existen, el LAT a bordo del Telescopio espacial de rayos gamma Fermi podría ver los rayos gamma asociados con su desaparición. Crédito: Cielo y Telescopio / Gregg Dinderman.

El Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi

El Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi, anteriormente llamado Telescopio Espacial de Área Grande de Rayos Gamma (GLAST), es un observatorio espacial que se utiliza para realizar observaciones astronómicas de rayos gamma desde la órbita terrestre baja.

Su principal instrumento es el Large Area Telescope (LAT), con el que los astrónomos pretenden hacer un estudio de todo el cielo estudiando fenómenos astrofísicos y cosmológicos como núcleos galácticos activos, púlsares, otras fuentes de alta energía y materia oscura.

Otro instrumento a bordo del Fermi, el Gamma-ray Burst Monitor (GBM), anteriormente GLAST Burst Monitor, se está usando para estudiar estallidos de rayos gamma y erupciones solares.

Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi
Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi

Fuente: Dark Energy, Dark Matter | Science Mission Directorate

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