EL MISTERIO DE LA MATERIA OSCURA
Muy Interesante México|Octubre -2020
Parece increíble, pero la mayor parte de la materia que integra el universo, una gran masa que mantiene unidas las galaxias, es indetectable. Los astrofísicos llevan décadas tratando de desentrañar su naturaleza mediante detectores situados en minas profundas, aceleradores de partículas y potentes telescopios espaciales, aunque aún hoy ese fantasma es uno de los mayores desafíos de la cosmología.
Gonzalo López Sánchez

Los científicos descubrireron algo muy intrigante hace ya medio siglo: no tenemos ni idea de qué está hecha la mayor parte del universo. A partir de los movimientos de las galaxias y de los cúmulos galácticos podía deducirse que ahí arriba existía una gran masa que por alguna razón no lográbamos ver. Desde entonces, los astrónomos averiguaron que, de hecho, es mucho más importante que la que existe en forma de gas, estrellas y planetas; es más, parece funcionar como una especie de pegamento que mantiene unidas las estructuras en el universo observable. Se calcula que constituye cerca de 85% de la masa del cosmos, pero ni los telescopios ni los sensores repartidos por todo nuestro mundo han podido localizarla. Con razón se le conoce como materia oscura.

“Pensábamos que sabíamos cómo es el universo y de qué está hecho –cuenta el investigador Carlos Muñoz, del Instituto de Física Teórica de Madrid, España–, pero hace décadas nos percatamos de que no es así, porque descubrimos que la materia de la que estamos hechos no es la que forma la mayor parte del cosmos”.

Los estudios llevados a cabo hasta la fecha sugieren que dicha masa oculta no forma átomos y apenas interactúa con la materia convencional, por lo que millones de partículas de la misma atraviesan nuestro cuerpo cada segundo sin que notemos nada; como tampoco interactúa con la luz, resulta invisible por completo. Todas estas características significan que la materia oscura es muy difícil de detectar. También que no puede estar compuesta por alguna de las partículas elementales conocidas porque ninguna se comporta de ese modo. Por eso, algunos expertos inclusive han puesto en duda su existencia.

Una mirada a lo desconocido

En un primer momento, la expresión “materia oscura” no se usaba para designar algún tipo de sustancia exótica, sino un conjunto de planetas, estrellas y nubes de polvo muy poco brillantes e imposibles de atisbar desde la Tierra. En 1933, el astrofísico suizo Fritz Zwicky (18981974) empleó este concepto para tratar de explicar por qué las mil galaxias que integran el cúmulo de Coma, a 321 millones de años luz de distancia, permanecen unidas a pesar de la gran velocidad a la que giran. Zwicky propuso que algún tipo de Dunkle Materie –materia oscura– debía constituir la mayor parte de la masa de las galaxias, pero su hipótesis no tuvo mucha aceptación y sus ideas cayeron en el olvido.

A finales de los años 60 y principios de los 70 del siglo pasado, los astrónomos Kent Ford y Vera Rubin midieron con precisión la velocidad de rotación del disco de Andrómeda, la galaxia más cercana a la Vía Láctea. Para su sorpresa, descubrieron que sus regiones externas se movían casi a la misma velocidad que las internas, cuando la ley de la gravitación de Newton predecía que debían girar más despacio a medida que aumentaba la distancia respecto al centro, tal como ocurre con los planetas de nuestro sistema que están más alejados del Sol.

Intrigados, Rubin y Ford repitieron estas observaciones en otras galaxias y encontraron lo mismo. Por último, concluyeron que estas se encuentran rodeadas por un halo de masa invisible, varias veces más extenso que ellas mismas, lo que explicaría que alcancen tales velocidades en esas zonas.

Otros dos fenómenos apoyaban la existencia de esa materia oscura: el llamado efecto de lente gravitacional –en esencia, consiste en que una gran masa desvía la trayectoria de los rayos de luz– y la radiación de fondo de microondas, un tipo de radiación electromagnética que inunda el cosmos y que constituye una reliquia de sus etapas tempranas.

Esta materia oscura no sólo influye en la rotación de las galaxias. “Es un acelerador de estructuras cosmológicas –explica Ignacio Trujillo, del Instituto de Astrofísica de Canarias (España), y añade–: Se trata de una masa extra que dicta el ritmo de crecimiento de las galaxias. Sin ella, estas habrían tardado más en desarrollarse y no serían tan grandes”. Es decir, sin materia oscura, el universo no tendría el aspecto que hoy percibimos.

La búsqueda del origen

Las simulaciones de la evolución del cosmos han llevado a considerar la existencia de tres tipos de dicha materia: la fría, la tibia y la caliente. Cada una estaría integrada por partículas que viajarían a distinta velocidad durante la infancia del universo: en las más cálidas, aquella sería mayor; en las más frías, menor. De acuerdo con estas recreaciones, la materia oscura fría es la que resulta más verosímil, porque su presencia pudo permitir que se formaran las grandes estructuras cuando el cosmos era joven. Sin embargo, hay discrepancias y detalles que no encajan, tal como reconoce Trujillo. Eso y la naturaleza fantasmal de la materia oscura suponen un auténtico rompecabezas para los expertos. ¿De verdad está ahí? La mayoría de los astrónomos creen que sí, pero dudan sobre su auténtica naturaleza y llevan años tratando de averiguar de qué podría estar hecha.

En la actualidad, este enigma se ve como una puerta que nos permitiría ir más allá del modelo estándar de la física de partículas, el gran marco teórico que explica el comportamiento de la materia por medio de un puñado de partículas e interacciones. Ese ir más allá resulta extraordinariamente importante porque, aunque este modelo parece funcionar muy bien, no puede explicar fenómenos muy relevantes, como el origen de la gravedad o el desequilibrio que existe entre materia y antimateria en el universo.

“La materia oscura muestra que nos falta una pieza clave del rompecabezas –apunta María Luisa Sarsa, catedrática en la Universidad de Zaragoza e investigadora principal de ANAIS, un experimento que busca esta peculiar sustancia en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc, bajo la montaña El Tobazo (en el noreste de España), y advierte–: Puede que sea porque no hemos montado bien todas las demás”. Para tratar de resolver este misterio se han construido laboratorios en las entrañas de minas abandonadas e instalado sensores en las profundidades de la Antártida. También se han lanzado teles copios al espacio y se han hecho chocar entre sí partículas a altísimas velocidades, pero hasta ahora nadie sabe con certeza qué es la elusiva materia oscura.

El milagro que no llega

Por el momento, la hipótesis más aceptada entre los expertos es que está hecha de WIMP –siglas de Weakly Interacting Massive Particles, esto es, partículas masivas débilmente interactivas–. Se trataría de corpúsculos miles de millones de veces más masivos que los neutrinos y se relacionarían con la materia normal por medio de la interacción nuclear débil, pero con una frecuencia muy baja. “Aunque existen otros candidatos, son el modelo por excelencia –explica Muñoz–. Las WIMP reproducen el comportamiento de la materia oscura tal como predicen las evidencias astrofísicas”.

De hecho, hace unas décadas los científicos se encontraron con lo que se denominó el milagro WIMP. La supersimetría, una extensión teórica del modelo estándar que postula que las partículas conocidas tienen compañeras más masivas que no hemos descubierto, permitió proponer la existencia de ciertas WIMP que parecían encajar casi mágicamente con lo esperado de las partículas de materia oscura. Muchos investigadores pensaron que, al menos, ya sabíamos dónde buscar la solución al problema, pero las cosas no han resultado ser como parecían y, tras años de investigaciones, aún no se ha hallado ni rastro de las partículas predichas. “Está claro que ese milagro WIMP no ha ocurrido. No ha sido posible encontrarlas”, reconoce Francis Halzen, director del observatorio IceCube. En esta instalación, situada muy cerca de la base estadounidense Amundsen-Scott, en el Polo Sur, se han colocado 5,000 fotosensores en un kilómetro cúbico de hielo, enterrados a 2,500 metros de profundidad.

Intuimos la existencia de la materia oscura por los efectos que produce en los objetos cósmicos que sí podemos observar.

Este experimento trata de dar con la materia oscura a través de lo que se conoce como detección indirecta. Aunque, como ya sabemos, aquella es invisible, se sospecha que las partículas que la integran pueden llegar a chocar entre sí y aniquilarse. Durante el proceso se producirían señales que sí sería factible llegar a captar.

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