¿Qué es la Materia Oscura y por qué los científicos creen que ocupa la mayor parte del Universo?

Pero como siempre, suele haber una distancia entre lo que los físicos hacen y la información que llega finalmente a las personas interesadas. Por esta razón, decidimos comenzar algunos artículos en los que explicaremos de manera sencilla la naturaleza de algunos de los grandes descubrimientos de la física moderna.

Hoy hablaremos de la llamada “Materia Oscura”. Seguro que ya han oído hablar de ella, del misterio que representa y de lo absurda que parece. A fin de cuentas, ¿cómo es eso de que la mayor parte del universo está constituida por un tipo de materia que ni conocemos ni entendemos?

Modelos físicos

Pero antes de hablar de la materia oscura tenemos que explicar qué es un modelo físico.

Un Modelo es un sistema matemático que predice algo. Por ejemplo: la célebre ecuación de gravitación universal de Newton F₁ = F₂ = G*[(m₁*m₂)/r² es famosa no por ser una obra maestra de las matemáticas (que lo fue) sino porque aplicándola es posible predecir de manera precisa el movimiento de los cuerpos celestiales.

El descubrimiento de Newton funcionó porque servía para predecir el movimiento de los planetas. Y el descubrimiento de Einstein sirvió porque perfeccionaba esto y lo hacía funcional aún para grandes galaxias y cuerpos masivos. La llamada Relatividad General funcionó bien por años, permitiéndonos predecir y calcular adecuadamente el movimiento de los sistemas solares y galaxias.

Hasta que en un momento simplemente dejó de funcionar.

El problema de las galaxias

El asunto fue el siguiente: siguiendo las predicciones de la Relatividad General y calculando la masa de las galaxias el modelo dejó de funcionar. Resultó que las galaxias no deberían existir, pues la gravedad en su interior no era lo suficientemente fuerte para mantenerlas unidas, sino que sus componentes deberían haber escapado al espacio hace mucho tiempo.

Como siempre, lo primero fue cuestionar el modelo. Lo más probable era que la Relatividad General no fuese una teoría acertada y que hubiese mejores maneras de explicar el universo que nos rodea. Quizás la gravedad no era la misma, sino que funcionaba diferente en diferentes lugares del espacio. Podía postularse como por ejemplo, que entre más distante de nosotros una galaxia estuviese más antiguo sería el reflejo de lo que vemos y, por lo tanto, que la gravedad se modificaba a medida que pasaba el tiempo.

Pero el asunto fue que ninguna de estas hipótesis logró pasar las pruebas de predecir el comportamiento de las galaxias. Y por esta razón a los científicos no les quedó más que postular una hipótesis más bien simple: que las galaxias son más pesadas de lo que vemos por qué tienen una parte de materia que no podemos ver. De ahí el término “Materia Oscura”.

El comportamiento de las galaxias

En efecto, las observaciones revelaron que diferentes galaxias tendrían diferentes cantidades de Materia Oscura. Por el contrario, si lo que ocurriese fuese un cambio en el funcionamiento de la gravedad tendríamos que todas las galaxias más distantes se comportarían de una manera y las más cercanas de otra manera.

Peor aún, un reciente descubrimiento reveló la existencia de una galaxia cuyo comportamiento, al menos hasta lo visto recientemente, se ajusta perfectamente a la Relatividad General. Esto significa que esta galaxia no tendría materia oscura y por lo tanto revelaría que no puede ser una modificación en el funcionamiento de la gravedad lo que causa las distorsiones en otras galaxias.

Es difícil para quienes no somos físicos entender a fondo estos debates. Pero el asunto es que todas las alternativas que han ido surgiendo se han probado poco viables, y cada vez más la teoría de la materia oscura sigue cobrando fuerza. Es posible que el futuro encontremos una explicación diferente, pero por ahora esta parece ser la causa de las distorsiones en la gravitación de galaxias lejanas.

NGC1052-DF2 es la única galaxia que conocemos sin rastro de materia oscura

¿Y de qué está hecha la materia oscura?

El asunto es que no tenemos ni idea de que podría formar materia que no reaccione con el espectro electromagnético (esto significa que no genere ningún tipo de luz ni la refleje). Los físicos tienen algunas teorías, pero por ahora están más en el campo de la imaginación que la certeza. Veamos:

Los Axiones                             

Los axiones son partículas cuya existencia fue propuesta por primera vez en 1977 y que serían esencialmente partículas diminutas que no interactúan con los fotones y que constituyen la llamada “materia oscura fría”. Pese a que matemáticamente podrían existir, jamás han sido detectados y por esta razón no sabemos si en verdad constituyen parte de la llamada materia oscura de las galaxias.

WIMP

Otra alternativa propuesta es el de las llamadas “partículas masivas de baja interacción” (WIMP por sus siglas en inglés). En esencia se trataría de partículas masivas semejantes a los neutrinos en el sentido en que no interactúan ni con la energía electromagnética ni con la fuerza nuclear fuerte. Sin embargo, al ser más grandes que los neutrinos serían también mucho más lentos.

Como verán, aún no sabemos de qué se trata eso de la materia oscura y ni siquiera estamos seguros de que exista, pero es un componente importante de los modelos físicos a gran escala del universo.

Fuentes:

1. https://www.quora.com/What-is-dark-matter-8
2. https://es.wikipedia.org/wiki/WIMP
3. https://www.quora.com/Can-we-say-now-that-all-MOND-theories-are-proven-false-and-there-is-really-dark-matter-after-all

Imágenes: 1. newyorker.com, 2: phys.org, 3: physicsbuzz.physicscentral.com