¿Te has preguntado alguna vez por qué la Tierra no solo sale volando de su órbita y deambula por el universo? O, ¿por qué las galaxias no se dividen? El universo tiene su propia disposición para prevenir colisiones y desastres. Es cierto que el universo se está expandiendo, pero se mantiene unido desde el interior por la materia oscura invisible. Piensa en una rueda de la fortuna, los carruajes son cúmulos de galaxias y las palancas que los sostienen es materia oscura. La materia oscura no interactúa con las fuerzas electromagnéticas, y es completamente diferente de la materia visible normal. La materia oscura es un tipo de materia hipotética distinto de la materia bariónica (materia ordinaria tales como protones y neutrones), neutrinos y energía oscura. La materia oscura nunca se ha observado directamente; sin embargo, su existencia explicaría una serie de observaciones astronómicas de lo contrario desconcertantes.
Aquí hay algunos hechos que te sorprenden sobre la materia oscura.
1. “Oscuro” no solo significa que no lo vemos.
- ¿Cuántas atmósferas había antes y después de los primeros segundos del Big Bang?
- En un universo con solo dos partículas, ¿es posible medir la distancia?
- Si la luz no puede escapar de un agujero negro, entonces, ¿cómo salió la radiación de Hawking de un agujero negro?
- ¿Cuál es la probabilidad de que un mundo perfecto como el nuestro pueda ser creado por algo tan aleatorio como el Big Bang?
- ¿Cómo apoya su sistema de creencias la teoría del 'Big Bang'?
Significa que no emite ninguna radiación electromagnética por todo lo que podemos decir. Los astrónomos no han podido encontrar ni la luz visible para el ojo, ni la radiación en el rango de radio o el régimen de rayos X, y tampoco a energías aún más altas.
2. “Materia” no solo significa que son cosas.
Lo que los físicos clasifican como materia debe comportarse como la materia de la que estamos hechos, al menos en lo que respecta a su movimiento en el espacio y el tiempo. Esto significa que, en particular, la materia oscura se diluye cuando se extiende en un volumen mayor y provoca la misma atracción gravitacional que la materia ordinaria y visible. Es fácil pensar “cosas” que no hacen esto. La energía oscura, por ejemplo, no se comporta de esta manera.
3. No va a desaparecer.
No te despertarás un día y escucharás a los físicos declarar que no está allí en absoluto. (Bueno, lo hará, pero esas afirmaciones son raras, y esos físicos están equivocados). La evidencia es abrumadora: las lentes gravitacionales débiles demuestran que las galaxias tienen un tirón gravitacional mayor que el que puede producir la materia visible. La materia adicional en las galaxias también es necesaria para explicar por qué las estrellas en los brazos exteriores de las galaxias orbitan tan rápido alrededor del centro. Las fluctuaciones de temperatura observadas en el fondo cósmico de microondas no pueden explicarse sin materia oscura, y las estructuras formadas por las galaxias tampoco saldrían bien sin materia oscura. Incluso si todo esto se explicara por una modificación de la gravedad en lugar de un tipo desconocido de materia, aún tendría que ser posible formular esta modificación de la gravedad de una manera que la haga parecer más o menos como un nuevo tipo de materia. Y todavía lo llamaríamos materia oscura.
La lente gravitacional causada por las galaxias distorsiona la forma de las galaxias más lejos. A partir de la distorsión, se puede inferir la masa total dentro de las galaxias que causan las lentes. Créditos de imagen: NASA
4. Rubin no fue el primero en encontrar evidencia de materia oscura.
Aunque ella fue la primera en reconocer su relevancia. Unas décadas antes de que Vera Rubin se diera cuenta de que las estrellas giran inexplicablemente rápido alrededor de los centros de las galaxias, Fritz Zwicky señaló que un enjambre de aproximadamente mil galaxias que están unidas por gravedad al “Cúmulo de Coma” también se mueven demasiado rápido. La velocidad de las galaxias en un potencial gravitacional depende de la masa total en este potencial, y las velocidades demasiado grandes ya indicaban que había más masa de la que se podía ver. Sin embargo, no fue hasta que Rubin recopiló sus datos que quedó claro que no se trata de una peculiaridad del Cúmulo de coma, sino que la materia oscura debe estar presente en casi todas las galaxias y cúmulos de galaxias.
5. La materia oscura no interactúa mucho consigo misma ni con ninguna otra cosa.
Si lo hiciera, se ralentizaría y se agruparía demasiado y eso no estaría de acuerdo con los datos. Un ejemplo particularmente vívido proviene del Bullet Cluster, que en realidad consiste en dos cúmulos de galaxias que se han cruzado entre sí. En el Bullet Cluster, uno puede detectar tanto la distribución de la materia ordinaria, principalmente la emisión de rayos X, como la distribución de la materia oscura, por lentes gravitacionales. Los datos demuestran que la materia oscura se disloca de la materia visible: las partes de materia oscura de los grupos parecen haber pasado entre sí casi sin perturbaciones, mientras que la materia visible se ralentizó y su forma se distorsionó notablemente.
La misma interacción débil es necesaria para explicar las observaciones sobre el fondo cósmico de microondas y la formación de la estructura galáctica.
6. Es responsable de las estructuras en el universo.
Dado que la materia oscura no interactúa mucho consigo misma y con otras cosas, es el primer tipo de materia que se establece cuando el universo se expande y el primero en formar estructuras bajo su propio tirón gravitacional. Es la materia oscura la que siembra los filamentos a lo largo de los cuales se forman las galaxias cuando la materia visible cae en el potencial gravitacional creado por la materia oscura. Si observa una simulación por computadora de la formación de estructuras, lo que se muestra es casi siempre la distribución de materia oscura, no de materia visible. La materia visible cae y, por lo tanto, se supone que sigue la misma distribución en momentos posteriores.
Formación de estructuras de materia oscura en la simulación por computadora Millenium XXL. Créditos de imagen: MPA Garching.
7. Probablemente no esté distribuido sin problemas.
La materia oscura no solo forma filamentos en escalas supergalácticas, sino que tampoco está completamente distribuida sin problemas dentro de las galaxias, al menos eso es lo que dicen los modelos mejor entendidos. La materia oscura no interactúa lo suficiente como para formar objetos tan densos como los planetas, pero tiene ‘halos’ de densidad variable que se mueven en las galaxias. La densidad de la materia oscura es generalmente mayor hacia los centros de las galaxias. Como la materia oscura no gira con el disco de estrellas que observamos, los sistemas solares como el nuestro se mueven constantemente hacia un “viento” de partículas de materia oscura.
8. Los físicos tienen muchas ideas sobre lo que podría ser la materia oscura.
La explicación más popular actualmente para las observaciones desconcertantes es algún tipo de partícula que interactúa débilmente y que no interactúa con la luz. Estas partículas tienen que ser bastante masivas para formar las estructuras observadas, casi tan pesadas como las partículas más pesadas que ya conocemos. Si las partículas de materia oscura no fueran lo suficientemente pesadas, no se agruparían lo suficiente, por eso se les llama WIMP por “partículas masivas que interactúan débilmente”. Otro candidato es una partícula llamada axión, que es muy ligera pero deja algún tipo de condensado que llena el universo.
Hay otros tipos de partículas candidatas que tienen interacciones más complejas o son más pesadas, como Wimpzillas y otras cosas exóticas. La materia oscura macro es un tipo de materia oscura que podría acomodarse en el modelo estándar; consiste en fragmentos macroscópicamente pesados de tipos desconocidos de materia nuclear.
Luego hay varias propuestas sobre cómo modificar la gravedad para acomodar las observaciones, como MOG, gravedad entrópica o teorías bimétricas. Aunque es muy diferente por motivación, cuantas más observaciones tengan que explicarse, más se parecerán las explicaciones a través de partículas adicionales a las explicaciones mediante la modificación de la gravedad.
Crédito de la imagen: ESA / XMM-Newton / F. Gastaldello (INAF / IASF, Milano, Italia) / CFHTLS.
9. Y saben algunas cosas que la materia oscura no puede ser.
Sabemos que la materia oscura no puede estar constituida por enanas marrones oscuras o agujeros negros. La razón principal por la que esto no funciona es porque sabemos que la materia oscura total en masa aporta a nuestra galaxia, y es mucho, aproximadamente 10 veces más que la materia visible. Si esa cantidad de masa se compone de agujeros negros, deberíamos ver constantemente eventos de lentes gravitacionales, pero no lo hacemos. Tampoco funciona con la formación de estructuras. Y sabemos que los neutrinos, aunque interactúan débilmente, tampoco pueden formar materia oscura porque son demasiado ligeros y no se agruparían lo suficientemente fuerte como para sembrar filamentos de galaxias.
10. Pero no tenemos evidencia experimental directa.
A pesar de décadas de búsqueda, nadie ha detectado directamente una partícula de materia oscura y la única evidencia que tenemos todavía se infiere indirectamente del tirón gravitacional. Los físicos han estado buscando las raras interacciones de los candidatos propuestos para la materia oscura en muchos experimentos basados en la Tierra a partir de la década de 1980. También están buscando evidencia astrofísica de materia oscura, como señales de la aniquilación mutua de partículas de materia oscura. Ha habido algunos hallazgos interesantes, como el exceso de positrones PAMELA, la modulación anual DAMA o el exceso de rayos gamma de Fermi, pero los físicos no han podido vincular ninguno de estos convincentemente a la materia oscura.
Después de todo lo que el Universo nos ha contado sobre sí mismo, estamos convencidos de que debe existir algún tipo de materia oscura: la materia que es diferente de cualquiera de las partículas conocidas en el Modelo Estándar. Esta materia oscura supera a todas las demás partículas y radiación en el Universo en un factor de aproximadamente cinco , pero aún no se ha detectado directamente. Sabemos que existe, pero no sabemos exactamente de qué está hecho. Hasta que lo hagamos, esto seguirá siendo un misterio que necesita una solución más completa.
