Hay una sustancia que nos rodea, nos llena, y nos mantiene en curso. Puede parecer sorprendente, pero esta sustancia compone alrededor del 85% [1] de toda la materia en nuestro Universo. Aunque su presencia ha dictado el curso de nuestro planeta no sabemos de qué está compuesta ni cómo interactuar con ella. La única razón por la que sabemos de su existencia es por su interacción con planetas y galaxias a una escala astronómica … La llamamos “materia oscura”.
Texto: Alexander Keesling
Portada: NASA, ESA, F. Summers, J. DePasquale, D. Player (STScI)
El origen y las propiedades de la materia oscura son uno de los misterios más grandes en nuestro entendimiento del universo. Entendemos tan poco, que hasta la fecha no hemos podido aislar, contener o incluso observar directamente alguna partícula de materia oscura. Sin embargo, tenemos una gran cantidad de observaciones indirectas de sus efectos a escalas galácticas.
La materia ordinaria, es decir todo aquello que conocemos a nuestro alrededor, interactúa débilmente por medio de fuerzas gravitacionales y de manera mucho más intensa por fuerzas electromagnéticas. Es por eso que cuando caemos al piso no continuamos cayendo hasta el centro de la Tierra, la cual nos atrae de manera gravitacional – afortunadamente nos detienen las fuerzas de repulsión electromagnética entre el suelo y nuestro cuerpo.
Nuestro cuerpo tampoco colapsa a un punto donde se concentra toda la masa: las fuerzas electromagnéticas lo mantienen extendido y en forma. Sin embargo, la materia oscura parece no interactuar por medio de fuerzas electromagnéticas, sino únicamente por fuerzas gravitacionales. Por lo tanto, es difícil que una pequeña partícula de materia oscura sea reconocida por un detector a la hora de hacer observaciones, ya que esta no puede ser absorbida o contenida por ningún material. Esta peculiaridad de la materia oscura crea una gran dificultad en su estudio: cualquier método de detección directa debe de poder detectar la minúscula fuerza gravitacional ejercida por una única partícula.
¿De qué está formada la materia oscura?
La gran incertidumbre acerca de la naturaleza de la materia oscura dio pie a diversas hipótesis que derivan de la observación científica: la más aceptada es que la materia oscura es en verdad materia formada por partículas [2, 3]. La hipótesis de la gravedad modificada menciona la posibilidad de que la fuerza de gravedad actúa de manera inesperada a escalas galácticas. Aunque hasta la fecha no existe evidencia que pueda descartar esta teoría, existen fenómenos que la hacen ver poco probable.
El ritmo de las galaxias
Los primeros estudios que indicaron la existencia de un excedente invisible de materia tienen su origen en la observación del ritmo con el que giran las galaxias. Suponiendo que la distribución de la materia en una galaxia es consistente con un disco de estrellas, planetas y gases, la velocidad a la que giran estos cuerpos alrededor del centro galáctico debería de ser:
–baja en el centro y grande a distancias intermedias
–baja también en las regiones más lejanas.
Sin embargo, las observaciones indican que la velocidad de estos cuerpos astrales no disminuye hacia los extremos, por ello se infiere una gran cantidad de fuerza gravitacional que dibuja una esfera de materia alrededor de toda la galaxia. Por medio de mediciones cada vez más precisas de estas velocidades así como de la radiación de rayos x hasta frecuencias de radio, es posible establecer límites a la cantidad de materia ordinaria en las galaxias, así como la cantidad y distribución de materia oscura necesaria para poder explicar las observaciones. De no ser por este excedente de materia oscura ¡nuestra galaxia perdería gran parte de sus estrellas y planetas!
Viendo a través del lente gravitacional
Viendo más allá de las mismas galaxias, es posible utilizar los efectos de lentes gravitacionales para estudiar la cantidad total de materia contenida en una galaxia. Un lente gravitacional se forma gracias a que la fuerza de gravedad deforma el espacio alrededor de objetos masivos. Cuando un rayo de luz pasa por una región del espacio con una gran densidad de materia, la luz parece moverse en una línea curva, de la misma forma en que lo haría al pasar por una lente. La distorsión en una imagen alrededor de un objeto masivo le permite a los investigadores inferir la cantidad de materia existente en una región galáctica.
La diferencia entre el efecto gravitacional y la cantidad de materia visible en la galaxia indica cuánta materia oscura debe estar presente, lo cual da lugar a la conclusión que la mayor parte de la materia en el universo es materia oscura. Es por ello que a lo largo de las últimas décadas se han construido distintos experimentos para detectar y estudiar de manera más sistemática las propiedades de la materia oscura.
Experimentos con los pies en la Tierra
Además de los telescopios y satélites que observan los efectos de la materia oscura en el espacio exterior, otros experimentos intentan detectar de manera directa sus efectos aquí en la Tierra. Sin embargo, no hay un experimento lo suficientemente sensible para detectarla sin importar sus propiedades. Una gran cantidad de experimentos buscan detectar partículas de materia oscura de distintas masas, tamaños, y posibles formas débiles de interacciones no gravitacionales con la materia ordinaria. Éstos van desde redes de sensores magnéticos a lo largo del planeta buscando correlaciones en fluctuaciones magnéticas [4], hasta enormes tanques subterráneos de Xenón líquido [5] y detectores cristalinos a temperaturas bajísimas que intentan observar vibraciones pequeñísimas causadas por partículas de materia oscura agitando los átomos del cristal [6].
Hasta el día de hoy, ningún experimento ha mostrado señales incontrovertibles de detección. Sin embargo, también es posible aprender algo acerca de las propiedades de la materia oscura a través de la falta de una señal. Año con año, los instrumentos cada vez más precisos ponen límites cada vez más rigurosos a la intensidad con la que la materia oscura y ordinaria pueden interactuar. Esta información ayuda a guiar los estudios teóricos, haciendo ciertas hipótesis más probables que otras, acercándonos a un mejor entendimiento de sus características.
(Izquierda) Esquema de las instalaciones en las que se encuentra el experimento SuperCDMS que busca señales de interacciones entre la materia oscura y un cristal de materia ordinaria. Para aislar el detector de fuentes de partículas energéticas, se encuentra 2 km bajo tierra en una mina. (Derecha) Representación artística del método de detección de una partícula hipotética de materia oscura a través de la vibración inducida en un cristal de Germanio a temperaturas criogénicas. (Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory)
El reto a la ciencia
La cantidad y variedad de observaciones que indican la existencia de materia oscura en el universo son abrumadoras. Más allá de las ya mencionadas se encuentran las mediciones del fondo cósmico de microondas, supernovas, y la estructura a gran escala del universo. Las propuestas teóricas para explicar su origen son igualmente numerosas, incluyendo pequeños agujeros negros, dimensiones adicionales a las tres de espacio y una de tiempo que conocemos, partículas supersimétricas, modificaciones a la fuerza de gravedad, neutrinos estériles, entre muchas otras, evidenciando la magnitud del misterio que aún le rodea. Cualquiera de estas hipótesis tendrá que mostrar su valor al explicar todos los fenómenos ya vistos, además de generar nuevas predicciones verificables. Es un reto difícil pero emocionante y nos mantendrá muy atentos a la espera de una resolución.
La materia oscura une nuestra Tierra, el Sistema Solar, las galaxias y el universo
Aunque nuestra ignorancia es grande, con base en todo el conocimiento que tenemos acerca del universo podemos decir con confianza que de no ser por la materia oscura las galaxias no existirían como las conocemos hoy en día; el cielo nocturno sería muy distinto. Sin la fuerza gravitacional que provee, nuestra galaxia perdería una gran parte de su contenido, haciendo probable que nuestro planeta no existiera. De no ser por esta inesperada inyección de gravedad es incluso posible que las galaxias no se hubieran podido formar en un principio, así que en parte le podemos deber nuestra existencia a su presencia. Esta misteriosa sustancia es el pegamento astronómico que dicta el orden y la estructura a las escalas más grandes y mantiene al universo unido. A nosotros nos mantiene unidos, no sólo como parte del universo, sino también como parte de una comunidad curiosa e inquisitiva que seguirá buscando respuestas acerca del origen y la naturaleza de la materia oscura.
