Materia oscura: la componente que da forma al universo

Una forma de materia que no emite ni absorbe luz directamente parece dominar el comportamiento del cosmos. Es invisible para nuestros telescopios, pero su presencia se manifiesta en los movimientos de las estrellas, en la rotación de las galaxias y en la forma en que la luz de objetos lejanos se curva al atravesar el espacio. Esta sustancia misteriosa, que constituye cerca del 85 % de toda la materia del Universo, recibe el nombre de materia oscura. A pesar de décadas de observaciones y experimentos, su verdadera naturaleza sigue siendo uno de los mayores enigmas de la física moderna.

Materia oscura: De la masa visible a la ‘invisible‘

A comienzos del siglo XX, el astrónomo Knut Lundmark realizó en 1930 uno de los primeros intentos por estimar la relación entre la masa y la luminosidad de las galaxias. Con esta relación se puede inferir cuál es la cantidad de materia que emite la luminosidad detectada. Lundmark hizo una comparación entre el brillo de las galaxias con respecto a la masa que podía deducirse a partir de observaciones.

Para su sorpresa, descubrió que esas galaxias parecían contener mucha más masa de la que su luz podía explicar. Los valores observados del cociente masa/luminosidad eran mayores de lo que predecían los modelos teóricos, lo que sugería la presencia de una cantidad adicional de materia “faltante”. Lundmark propuso que esta materia faltante podría estar compuesta por objetos conocidos pero invisibles, como meteoros, cometas o nubes oscuras de gas y polvo. Aunque hoy sabemos que la materia oscura es probablemente de otro tipo, su trabajo representa una de las primeras evidencias de que el cielo estaba incompleto, y había algo más allá afuera.

Poco después, en 1933, el astrónomo Fritz Zwicky estudió el cúmulo de galaxias Coma y comparó las velocidades de las galaxias que lo conformaban con la cantidad de masa visible en ellas. Para su sorpresa, descubrió que la materia observada no bastaba para mantener unidas a las galaxias del cúmulo: sus velocidades eran tan altas que, si solo existiera la masa visible, el cúmulo debería haberse deshecho hace mucho tiempo.

A diferencia de las estimaciones anteriores de Lundmark, Zwicky pudo estimar la masa total observada del cúmulo. Aún así, los números no le cuadraban: faltaba masa en cantidades considerables. Así surgió la primera evidencia sólida de que en el Universo existe una gran cantidad de materia invisible, una masa que no vemos pero cuya gravedad delata su presencia. Zwicky denominó a este misterioso material «dunkle Materie», que en alemán significa materia oscura.¹

Componente oscura y masiva moldea movimiento de galaxias

Al final de esa década, Horace Babcock al estudiar en 1939 la curva de rotación de la galaxia de Andrómeda encontró un resultado desconcertante: las estrellas en las regiones más alejadas del centro galáctico giraban mucho más rápido de lo que predecían los modelos basados en la materia visible. Si toda la masa estuviera concentrada en las zonas luminosas, aquellas estrellas externas deberían moverse con menor velocidad. Pero no era así. Algo invisible parecía sostenerlas gravitacionalmente.

Estos resultados, aunque todavía no constituyeron una prueba definitiva, coincidían con otras anomalías observadas en la dinámica estelar y galáctica. Todo apuntaba en una misma dirección: había más masa de la que la luz permitía ver. La evidencia reunida a lo largo de esa década no era decisiva, producto de observaciones independientes y métodos diversos. Sin embargo, comenzaba a delinear un mensaje común y profundo: el Universo estaba dominado por una componente oscura, masiva y desconocida, cuya influencia gravitacional moldeaba el movimiento de las galaxias.²

Vera C. Rubin consolida la evidencia de una materia desconocida

Durante la década de 1970, la astrónoma Vera Cooper Rubin, junto con William Kent Ford y su equipo en el Carnegie Institution of Washington, extendió el estudio previo de Babcock y emprendió un estudio sistemático de la rotación de galaxias espirales. Gracias al desarrollo de un espectrógrafo de alta sensibilidad diseñado por Ford, Rubin pudo medir con una precisión sin precedentes las curvas de rotación, es decir, cómo cambian la velocidad orbital de las estrellas y del gas galáctico a diferentes distancias del centro de las galaxias.

Para entender el resultado del trabajo de Rubin, recordemos algo importante sobre la gravedad: La velocidad con la que un cuerpo se mueve alrededor de un objeto masivo cambia con la distancia – si el cuerpo está cerca de la fuente que produce gravedad, se moverá más rápido que cuando el cuerpo se encuentre más lejos. Esto pasa con los planetas en nuestro sistema solar. Mercurio que es el primer planeta con respecto al Sol, se mueve a unos 48 kilómetros por segundo, mientras que Neptuno o el planeta enano Plutón que están más lejos tienen una velocidad orbital de unos 6 kilómetros por segundo. 

Para cuantificar este comportamiento, se construye una curva de rotación: es una gráfica que muestra cómo cambia la velocidad de rotación a medida que analizamos, desde el centro hasta la parte más externa del sistema. Así, esencialmente una curva de rotación nos permite visualizar la velocidad que la que rotan los objetos alrededor de una fuente gravitacional. Para los planetas del sistema solar, se obtiene una curva que va descendiendo desde la velocidad de Mercurio (que está más cerca del centro) hasta Neptuno (que está en la parte más externa). 

Con las galaxias se esperaba un comportamiento similar: para la materia contenida en regiones más lejanas del centro galáctico las velocidades deberían ser más pequeñas que para la materia más cercanas al centro de la galaxia. Sin embargo esto no fue lo que observó Rubin.

En lugar de disminuir con la distancia, las velocidades de las estrellas en las regiones más externas de las galaxias se mantenían prácticamente tan altas como las estrellas del interior galáctico. Esto significaba que la materia luminosa —estrellas, gas y polvo— no podía explicar la gravedad que mantenía unidas a esas regiones. La única explicación posible era la presencia de una enorme envoltura invisible de materia, un halo oscuro que dominaba la masa total de la galaxia.

Lo que se observa en la animación es una simulación computacional de dos galaxias que muestran: la rotación observada (izquierda) con altas velocidades, a diferencia de lo esperado con giros más lentos al exterior de la galaxia (derecha). Crédito: ESO/L. Calçada,

Cambio de paradigma: nace uno de los mayores enigmas de la física moderna

Rubin y Ford publicaron una serie de artículos que consolidaron esta evidencia, donde analizaron galaxias como NGC 3198, NGC 7331 y M31 (Andrómeda).³⁴ Lo que antes eran indicios dispersos se transformó en una prueba empírica contundente:

La mayor parte de la masa de las galaxias no emite luz.

Estos trabajos marcaron un cambio de paradigma en la astronomía moderna: la materia oscura dejó de ser una simple curiosidad teórica o una posible imperfección de las mediciones, para convertirse en uno de los mayores enigmas de la física moderna. Desde entonces, cada galaxia observada parece repetir la misma historia: la luz no basta para contar toda la materia del Universo.

¿Y qué es la materia oscura?

A medida que los astrónomos confirmaban que las galaxias y cúmulos estaban dominados por masa invisible, surgió la pregunta: ¿de qué está hecha realmente la materia oscura? Hoy existen varias propuestas, que van desde partículas exóticas hasta objetos compactos. Estos son algunos candidatos:

• Partículas masivas débilmente interactuantes (WIMPs). Durante décadas, las WIMPs han sido los candidatos más populares para explicar la composición de la materia oscura por su conexión con teorías que extienden el Modelo Estándar, como la supersimetría. Estas partículas tendrían masa comparable o mayor que la de un protón y apenas interactuarían con la materia y la luz, lo que explica por qué no las detectamos directamente. Aún no se ha confirmado su existencia pese a décadas de búsquedas en detectores subterráneos, colisionadores de partículas y observaciones indirectas de rayos gamma y neutrinos.⁵
• Axiones ultraligeros. Fueron propuestos originalmente para resolver un enigma de la física de partículas conocido como el problema CP fuerte, relacionado con la simetría entre materia y antimateria en interacciones nucleares. Estas partículas son extremadamente ligeras y apenas interactúan con la materia y la luz, lo que las hace prácticamente indetectables con los instrumentos convencionales. Sin embargo, su existencia tendría un impacto profundo: podrían estar presentes en el Universo en cantidades enormes, suficientes para constituir toda la materia oscura. A diferencia de las WIMPs, cuya detección se centra en interacciones exóticas y colisiones, los axiones podrían manifestarse mediante efectos sutiles en campos magnéticos o en la conversión de axiones en fotones. Además, su estudio conecta la cosmología con problemas fundamentales de la física de partículas, haciendo de los axiones un candidato fascinante que une el mundo subatómico con la estructura del Universo.⁶
• Neutrinos estériles. Son una extensión hipotética del modelo estándar de partículas. A diferencia de los neutrinos conocidos (electrón, muón y tau), que interactúan mediante la interacción débil, los neutrinos estériles no participan en esta interacción, sino que solo interactúan gravitacionalmente. Esta característica los convierte en partículas extremadamente difíciles de detectar, ya que no dejan huellas en los detectores convencionales.⁷
• Agujeros negros primordiales (PBH). Son objetos compactos que podrían haberse formado en los primeros instantes del Universo, a partir de fluctuaciones de densidad extremas. A diferencia de las partículas, serían completamente oscuros y podrían tener masas que van desde la de un asteroide hasta varias veces la del Sol. Si existen en cantidad suficiente, podrían explicar total o parcialmente la materia oscura. La detección reciente de ondas gravitacionales provenientes de fusiones de agujeros negros ha reavivado el interés en los PBH como candidatos viables.⁸

Cada uno de estos candidatos representa un enfoque distinto: desde partículas invisibles que apenas interactúan, hasta objetos compactos que ejercen su influencia solo a través de la gravedad, así como también posibles modificaciones a la teoría gravitacional.

Búsqueda de materia oscura: de escalas subatómicas a escalas cosmológicas

El misterio de la materia oscura se explora tanto en laboratorios subterráneos y colisionadores de partículas como con telescopios y estudios cosmológicos. Cada uno de estos enfoques aporta piezas del rompecabezas, desde la escala más pequeña hasta la estructura del Universo entero. A continuación te presento algunos métodos para buscar materia oscura.

Búsquedas directas en laboratorio

Una estrategia fundamental consiste en intentar detectar directamente partículas de materia oscura cuando colisionan con núcleos atómicos en detectores extremadamente sensibles. Para minimizar el ruido de fondo, estos experimentos se instalan bajo tierra, en minas o túneles profundos. Ejemplos recientes incluyen XENON1T y XENONnT en Italia, LUX-ZEPLIN (LZ) en Estados Unidos y PandaX en China.

Gracias a avances tecnológicos en detección y reducción de ruido, estos experimentos han mejorado enormemente la sensibilidad, descartando amplios rangos de interacción para WIMPs y proporcionando límites cada vez más estrictos sobre cómo y con qué frecuencia estas partículas podrían chocar con la materia ordinaria.

Telescopio Cherenkov en México: Búsquedas indirectas de materia oscura

Otra estrategia consiste en observar productos que la materia oscura podría generar al interactuar consigo misma o al decaer. Telescopios como Fermi, el espectrómetro de antimateria AMS en la Estación Espacial Internacional,¹⁰ y los telescopios Cherenkov en tierra buscan rayos gamma, rayos cósmicos y neutrinos provenientes de regiones del Universo donde se espera una alta densidad de materia oscura. Detectar tales señales sería un indicio de interacciones de partículas oscuras, aunque hasta ahora los resultados han sido solo indicativos y sujetos a debate.

De cualquier manera, las observaciones indirectas complementan las mediciones gravitacionales, permitiendo explorar la materia oscura desde sus efectos sobre la luz y partículas cósmicas, hasta su influencia en la estructura de las galaxias.

Colisionadores de partículas

Los aceleradores más potentes, como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en Suiza, buscan signos de materia oscura a través de partículas invisibles que se escapan de las colisiones. Experimentos como ATLAS y CMS exploran eventos con energía faltante y posibles portales hacia sectores oscuros, donde nuevas partículas podrían interactuar débilmente con partículas y antipartículas conocidas. Estos estudios permiten descartar modelos y rangos de masa, y al mismo tiempo abrir la posibilidad de descubrir sorpresas inesperadas en el terreno de la física más allá del Modelo Estándar de partículas.

Observaciones cosmológicas de materia oscura

A gran escala, el Universo mismo actúa como un laboratorio. La distribución de galaxias, el Fondo Cósmico de Microondas (CMB) medido por el satélite Planck, el efecto de lente gravitacional débil y los estudios de estructura a gran escala como los realizados por ejemplo por Dark Energy Survey (DES), permiten obtener constricciones precisas sobre la cantidad total y las propiedades macroscópicas de la materia oscura. Estas observaciones han demostrado de manera convincente que la mayor parte de la materia del Universo no es bariónica, es decir, no está compuesta por átomos, y que domina la formación de estructuras cósmicas, desde cúmulos de galaxias hasta la red cósmica que conecta el Universo observable.

En particular, México participa activamente en el Observatorio Vera C. Rubin, ubicado en Chile, que está diseñado para realizar un censo del cielo profundo y cambiante. Este observatorio proporcionará datos sin precedentes sobre la distribución de materia oscura en el universo. Investigadores de diversas universidad e instituciones mexicanas, están involucrados en proyectos científicos enmarcados en este gran proyecto, buscando comprender mejor la naturaleza de la materia oscura y su influencia en la evolución del cosmos.

La materia oscura sigue siendo a la vez una evidencia empírica sólida y un misterio teórico abierto. Desde los primeros indicios de Zwicky, pasando por las curvas de rotación de Rubin, hasta las búsquedas tecnológicas de hoy, la comunidad combina astronomía de precisión, teoría y experimentos subterráneos. La búsqueda de la materia oscura sigue siendo uno de los desafíos más apasionantes de la física y la astronomía moderna y promete mantenernos atentos a nuevas sorpresas en el Universo invisible.

1. NASA, “Dark Matter”. ↩︎
2. Sidney Van Den Berghç, “The Early History of Dark Matter”, 18 febrero 1999. ↩︎
3. Vera C. Rubin, W. Kent Ford, Jr., y Norbert Thonnard, “Extended rotation curves of High-Luminosity Spiral Galaxies. IV. Systematic Dynamical Properties, Sa -> Sc”, 18 julio 1978. ↩︎
4. Vera C. Rubin, W. Kent Ford, Jr., y Norbert Thonnard, “Rotational properties of 21 SC galaxies with a large range of luminosities and radii, from NGC 4605 (R=4kpc) to UGC 2885 (R=122kpc)”, 29 noviembre 1979. ↩︎
5. T. M. Undagoitia, L. Rauch, “Dark matter direct-detection experiments”, 26 septiembre 2015. ↩︎
6. Tonatiuh Matos, Luis A. Ureña-López y Jae-Weon Lee, “Short review of the main achievements of the scalar field, fuzzy, ultralight, wave, BEC dark matter model”, 11 febrero 2024. ↩︎
7. Basudeb Dasgupta y Joachim Kopp, “Sterile neutrinos”, 15 septiembre 2021. ↩︎
8. Anne M. Green, “Primordial black holes as a dark matter candidate – a brief overview”, junio 2024. ↩︎
9. Gianfranco Bertone y Tim M. P. Tait, “A new era in the search for dark matter”, 03 octubre 2018. ↩︎
10. ESA, “AMS-02: preparado para descubrir los misterios del Universo”, 19 mayo 2011. ↩︎