Podemos cartografiarla, pesarla y simularla, pero aún no tenemos ni idea de qué es. Sin embargo, la materia oscura está cobrando protagonismo como nunca antes.
Los astrónomos ahora saben que por cada gramo de átomos que hay en el universo, existe al menos cinco veces más de una nueva materia invisible que no emite ni bloquea la luz.
También podemos crear universos modelo dentro de supercomputadoras que reproducen con asombroso detalle lo que vemos a nuestro alrededor en el cielo nocturno, pero solo suponiendo que esta materia oscura invisible nos atraviesa como un fantasma.
Por último, en la última década hemos empezado a cartografiar de manera casi rutinaria lo invisible y hemos descubierto que coincide con las predicciones de las simulaciones.
Sin embargo, entre los numerosos candidatos que los físicos de partículas han propuesto para la materia oscura, todavía estamos muy lejos de saber cuál es el correcto. Una búsqueda tan grandiosa como la de la partícula de Dios, el bosón de Higgs, y en algunos aspectos aún más difícil.
Primeras pistas
En 1978, Vera Rubin y Kent Ford descubrieron que las estrellas de galaxias cercanas no se movían como se esperaba. Las estrellas alejadas del centro de una galaxia —donde se concentraba toda la luz (y, por tanto, la masa)— se movían demasiado rápido para que la gravedad de toda la materia visible pudiera retenerlas.
Por lo tanto, alguna fuente de materia no visible debía proporcionar la gravedad adicional necesaria para explicar las estrellas de las regiones exteriores de la galaxia. La idea de la materia oscura había salido a la luz, pero quedaba la pregunta: ¿qué era en realidad?
Hoy, más de 40 años después, los avances tecnológicos en astronomía han permitido a los astrónomos ampliar considerablemente el trabajo pionero de Vera Rubin y han encontrado indicios de materia oscura en el movimiento de galaxias y estrellas por todas partes. El movimiento de los objetos visibles nos permite predecir la distribución de la materia oscura, y esta coincide con los universos modelo creados en supercomputadoras.
Estas observaciones y simulaciones han llevado a la asombrosa constatación de que la materia visible de nuestro universo es solo la punta del iceberg y representa apenas el 15,7 % de toda la masa.
Pero comprender cómo interactúa la materia oscura con la materia visible es solo una parte del rompecabezas. Una pista crucial sobre la identidad de la materia oscura es si interactúa consigo misma y, de ser así, con qué intensidad.
¿No tan oscura?
Entonces, ¿cómo se estudian las interacciones de una partícula que no se puede ver? La respuesta está en la lente gravitacional.
Mapa de la materia oscura en color; las regiones rojas (azules) representan concentraciones altas (bajas) de materia oscura. Los puntos son cúmulos de galaxias detectados por el sondeo DES (cuanto mayor es la masa del cúmulo, más grande es el punto).
Dark Energy Survey
Los objetos masivos pueden curvar el espacio que los rodea y, cuando lo hacen, también se curva la trayectoria de la luz, del mismo modo que lo hace una lente. Al igual que con cualquier anteojo graduado, puede haber lentes gravitacionales fuertes y débiles.
Si hay mucha masa concentrada en una región, esta curva fuertemente la luz de las galaxias del fondo. Esto ocurre en el denso centro de los cúmulos de galaxias.
En los bordes del cúmulo, donde la masa está más dispersa, el efecto de lente es más débil y, en lugar de una deformación evidente de la imagen de la galaxia de fondo, se observa una torsión más sutil de sus formas.
Solo se puede tener certeza de este efecto promediando la torsión de decenas de imágenes de galaxias de fondo. Esto hace de las lentes débiles una herramienta observacional mucho más difícil, pero es la única que permite cartografiar la materia oscura en las afueras de un cúmulo de galaxias.
Choques de autos en el espacio
También es posible buscar interacciones de la materia oscura consigo misma estudiando cómo colisionan las galaxias y los cúmulos de galaxias. Cuando estos objetos masivos atraviesan unos a otros, existe la posibilidad de que el material que los compone también interactúe.
Esta posibilidad depende de la sección eficaz de colisión del objeto, que puede entenderse como el área objetivo que presenta para que otro objeto choque con él. También hay que tener en cuenta la distribución de los objetos.
Por ejemplo, aunque en la Tierra los autos pueden chocar frontalmente y presentar una gran sección eficaz, las probabilidades de que esto ocurra son mucho menores si hay poco tráfico en la carretera.
Del mismo modo, las estrellas pueden parecer grandes objetivos, pero están tan dispersas dentro de la galaxia que prácticamente nunca chocan en la práctica: tendríamos que esperar mil millones de veces más que la edad de la galaxia para que una estrella impactara contra nuestro Sol.
Sin embargo, el gas que se encuentra entre las estrellas sí chocará sin duda (la fuerza electromagnética hace que las partículas diminutas presenten una sección eficaz mucho mayor). Así que, si chocan dos galaxias, el gas se estampa y queda hecho un amasijo, como en un accidente de autos, mientras que las estrellas pasan de largo y apenas se rozan.
La materia oscura podría encontrarse en algún punto intermedio, con partículas candidatas cuya sección eficaz es diminuta en comparación con la del gas, pero mayor que la de las estrellas. Esto significa que, tras una colisión, una nube (o halo) de materia oscura quedará rezagada respecto de las estrellas, pero por delante del gas.
Señales contradictorias
Estudios recientes han utilizado lentes gravitacionales para cartografiar la materia oscura en cúmulos de galaxias en colisión y, en una segunda observación más detallada del cúmulo de galaxias Abell, comprobar si la materia oscura queda rezagada respecto de las estrellas debido a alguna nueva interacción de la materia oscura consigo misma.
A mayor escala, al estudiar las interacciones entre cúmulos de galaxias, no se encontraron pruebas de que los halos de materia oscura de los cúmulos hubieran interactuado (es decir, seguían a las estrellas).
Pero a menor escala se detectó una lente de masa desplazada aproximadamente 4.500 años luz detrás de las estrellas.
Las estrellas se habían adelantado a la mayor parte de la masa responsable de la señal de lente, que es la materia oscura. Cuanto mayor sea la distancia a la que la materia oscura queda rezagada respecto de las estrellas, mayor será la sección eficaz de la partícula de materia oscura, lo que permite descartar ciertos candidatos.
¿Oscuridad visible?
A pequeña escala, ahora hay indicios provisionales de que la materia oscura parece interactuar o chocar, al menos un poco, con nubes de materia oscura que viajan en la dirección opuesta. A mayor escala, tenemos la restricción más precisa hasta la fecha sobre cuánto puede interactuar consigo misma.
Entre estos dos límites, inferior y superior, hay muchos candidatos posibles, pero estos dos resultados sugieren que los astrónomos podrían estar por fin acercándose a la escurridiza partícula de materia oscura; sin embargo, para confirmar de manera inequívoca cuál es el candidato exacto, habrá que encontrarlo en un laboratorio en la Tierra.
Por ello, este trabajo llega en un momento especialmente oportuno, ya que se han otorgado fondos para el primer detector directo de materia oscura del hemisferio sur, en Stawell, Victoria.
En las instalaciones de SUPL (Stawell Underground Physics Laboratory), los experimentos intentarán detectar la colisión de partículas de materia oscura con átomos, confirmar cuál es la partícula exacta responsable y, por fin, sacar la materia oscura a la luz y ponerla bajo los focos de la física de partículas.
Este artículo se publica en colaboración con The Conversation. La publicación no implica que el Foro Económico Mundial respalde estas opiniones.
Para mantenerse al día con la Agenda, suscríbase a nuestro boletín semanal.
Autor: Alan Duffy es investigador en Swinburne University of Technology. Rebecca Allen es candidata a doctorado e investiga la formación y evolución de galaxias en Swinburne University of Technology.
Imagen: Un cometa aparece en esta exposición de cinco minutos tomada en el Marshall Space Flight Center de la NASA. REUTERS/Aaron Kingery.