Según el equipo de investigación, sus resultados también les permiten determinar con mayor precisión qué proporción de la energía y la materia del Universo corresponde a energía oscura. Llegaron a estas conclusiones tras analizar las observaciones de cúmulos de galaxias realizadas por el telescopio de rayos X eROSITA, que escanea todo el cielo terrestre en busca de cúmulos de galaxias detectables. eROSITA está montado en el Spektr-RG, un telescopio espacial ruso-alemán lanzado a la órbita terrestre en 2019.
Los físicos propusieron por primera vez la existencia de materia oscura en 1933, en parte porque las ecuaciones demostraban que las galaxias carecían de materia observable que impidiera su desintegración. Además, las velocidades de rotación observadas de las galaxias no coincidían con los resultados esperados de los modelos físicos estándar.
Las investigaciones posteriores se retrasaron en gran medida hasta la década de 1970, cuando instrumentos científicos más sofisticados, desde detectores de rayos gamma hasta telescopios espaciales, permitieron a los astrónomos y físicos confirmar cálculos y observaciones anteriores.
Los potentes radiotelescopios también han proporcionado pistas, como la lente gravitacional (un efecto en el que la materia hace que la luz se desvíe entre la fuente y el observador), y han proporcionado evidencia convincente de la existencia de materia que podemos detectar, pero no ver. La clave es que no podemos verla; no interactúa con la luz.
Todo lo que ves, todo lo que sientes, todo lo que estás hecho constituye sólo el 5 por ciento del universo, el resto es materia oscura.
Los físicos han calculado que aproximadamente el 27 por ciento del universo entero está formado por materia oscura, y el resto (68 por ciento) es un fenómeno igualmente misterioso llamado energía oscura.
La parte invisible del Universo consta de dos componentes: la energía oscura y la materia oscura. Esta última es algo menos misteriosa, y los científicos están prácticamente seguros de su existencia: sin ella, las leyes de la gravedad simplemente no funcionarían. Las galaxias, tal como las vemos, no habrían podido agruparse hasta alcanzar su tamaño actual desde el Big Bang si solo existiera materia visible. Es más, muchas galaxias ni siquiera podrían mantenerse unidas si la gravedad de la materia visible fuera la única fuerza que las atrajera.
El nuevo telescopio espacial europeo, Euclid, intentará cartografiar esta materia invisible, pero ¿qué pasa si los resultados no cumplen las expectativas? Hay mucho en juego, incluida la famosa y ampliamente aceptada teoría de la relatividad general de Einstein.
Sin embargo, la situación con la energía oscura es más compleja. El descubrimiento de esta esquiva fuerza se remonta a 1998, cuando los astrónomos descubrieron que la expansión del universo se estaba acelerando. Esta expansión fue impulsada inicialmente por la energía del Big Bang, pero dado que este ocurrió hace tanto tiempo (hace 13.800 millones de años, para ser precisos), esta expansión debería estar desacelerándose.
Para resolver este misterio, los teóricos han propuesto la existencia de una fuerza misteriosa —la energía oscura— que resiste la gravedad y separa la materia. Según los modelos cosmológicos, la energía oscura constituye el 68 % de toda la energía del cosmos, según la NASA. Sin embargo, los astrónomos reconocen que la evidencia de su existencia es bastante vaga.
Los astrónomos esperan detectar rastros de energía oscura en la distribución de galaxias en el espacio mapeada por la misión Euclid.
Los modelos muestran que esta energía debería distribuirse uniformemente por todo el universo y que su intensidad siempre ha sido la misma. En los albores del universo, la influencia de la energía oscura no era tan perceptible, ya que el impulso inicial del Big Bang impulsó la mayor parte de la expansión del universo. Sin embargo, hace unos 5000 o 6000 millones de años, la energía oscura se convirtió en la fuerza dominante, contrarrestando la gravedad tanto de la materia ordinaria como de la oscura.
Sin embargo, también existe la posibilidad de que la energía oscura no exista en absoluto y de que los modelos cosmológicos que predicen su existencia sean incorrectos. Estos modelos se basan en la teoría general de la relatividad de Albert Einstein, que describe las «reglas» físicas del universo mediante una serie de ecuaciones. Si futuras observaciones del telescopio Euclidiano (y otros telescopios diseñados para estudiar la energía oscura) revelan que esta no es una fuerza tan constante y omnipresente, significaría que esta famosa teoría no es del todo correcta.
Euclid buscará evidencia de la energía oscura cartografiando la distribución de las galaxias hace 10 mil millones de años y comparando cómo ha cambiado esta distribución a lo largo de la evolución del universo. Estas observaciones revelarán si realmente existe una fuerza constante y omnipresente, o si interviene algo más.
En términos generales, podemos medir la materia y la energía en el Universo observándolas en una de cuatro interacciones:
— Con radiación electromagnética (luz)
— A través de efectos gravitacionales
— Con otra materia a través de la fuerza nuclear fuerte, que mantiene unida a la materia
— La fuerza nuclear débil, o la interacción de partículas subatómicas, responsable de la desintegración radiactiva
La materia oscura elude la mayoría de estas observaciones porque no parece interactuar con la materia ordinaria en absoluto, salvo a través de la gravedad. Pero esto no impide que los físicos descarten otros métodos.
Este corredor conduce al Laboratorio de Investigación Subterránea de Jadugoda, en India. Ubicado a 560 metros bajo la superficie, este laboratorio buscará partículas masivas de interacción débil (WIMPS), que indican la existencia de materia oscura.
Una de las áreas de investigación de Brown es el estudio de las interacciones de la materia oscura con la materia ordinaria en forma de isótopos líquidos de xenón. El xenón-124 tiene una vida media de aproximadamente un billón de veces la edad del universo. Enormes depósitos de esta sustancia se bombean a pozos profundos en la corteza terrestre para limitar el ruido de fondo, como la radiación electromagnética, que podría interferir con las mediciones. Solo la materia oscura y ciertas partículas subatómicas, como los muones y los neutrinos, pueden atravesar miles de metros de roca densa.
En teoría, solo la desintegración radiactiva natural, excepcionalmente lenta, del xenón-124 o las interacciones con muones, neutrinos o materia oscura podrían causar cambios en el isótopo. Si una partícula subatómica de materia oscura expulsa un electrón del xenón-124, se espera que el experimento Xenon1T lo detecte.
El experimento se está llevando a cabo a gran profundidad para evitar la exposición a la radiación electromagnética. XENON1T
Aunque los científicos de la materia oscura aún no han detectado interacciones directas con las esquivas partículas subatómicas, sin duda han realizado una serie de otras observaciones interesantes, incluida la desintegración del xenón-124, el evento más raro jamás registrado en la historia de la humanidad.
Sabemos más sobre lo que no es la materia oscura que sobre lo que es. En primer lugar, no es energía oscura. Es una forma de energía, cuya existencia también se ha demostrado indirectamente, pero que probablemente existe porque el universo se expande a un ritmo acelerado, en contra de las leyes de la física que rigen la materia y la energía ordinarias.
Y la materia oscura no es antimateria, que es materia ordinaria compuesta de partículas subatómicas con una carga directamente opuesta a la de la materia. Cuando la antimateria y la materia colisionan, se aniquilan, generando ráfagas de radiación gamma. La materia oscura también puede emitir radiación gamma al colisionar con su contraparte, la antimateria oscura, formando materia ordinaria.
Y finalmente, la materia oscura no es simplemente otra clase de las tres familias de materia ordinaria, como los hadrones, los leptones o los bosones, los dos últimos de los cuales eran previamente teóricos pero finalmente han sido detectados directamente en aceleradores de partículas y se comportan de manera diferente a lo que esperamos.
Sin embargo, los leptones y los bosones nos dan una pista sobre el futuro. La materia oscura parece ser una forma de materia compuesta por una o varias clases de partículas subatómicas completamente diferentes. Una de las más prometedoras es la WIMP (partícula masiva de interacción débil).
A pesar de su nombre impreciso, se cree que las WIMP tienen una masa 1000 veces mayor que la de los protones en la materia ordinaria. Y la teoría que describe su funcionamiento es perfectamente coherente con los cálculos de la cantidad de materia oscura en el universo.
Pero las WIMP están lejos de ser la única teoría que se puede considerar. También existen agujeros negros primordiales, que son esencialmente pequeños agujeros negros remanentes del Big Bang. Sin embargo, los investigadores no han observado microlente gravitacional en ellos, lo que descarta la posibilidad de que parte de la masa de los agujeros negros primordiales pueda ser materia oscura.
Luego están las consideraciones teóricas sobre partículas como las SIMP y los axiones, y otras innumerables pistas potenciales.
Por supuesto, investigar cuando no se puede observar lo que se cree que existe, o no necesariamente existe, puede ser bastante tedioso. Por ejemplo, investigadores de la Universidad de Yale han descubierto dos galaxias que no contienen materia oscura. Esta investigación sugiere algunas posibilidades intrigantes sobre cómo funciona la materia oscura en el universo: la materia oscura interactúa con la materia ordinaria mediante un mecanismo que actualmente desconocemos: la llamada «fuerza oscura» o quinta fuerza del universo.
Imagen compuesta de telescopios ópticos y de rayos X, con la probable materia oscura resaltada en azul, aunque no es directamente visible en las imágenes. Peter van Dokkum/Universidad de Yale
Otra idea es que la materia oscura interactúa a través de más fuerzas conocidas que sólo la gravedad, pero lo hace con una fuerza de interacción tan débil que simplemente todavía no tenemos los medios para detectar señales de manera confiable.
Durante los últimos 50 años, la física de partículas se ha centrado en descomponer el universo en sus componentes más pequeños. Actualmente, la materia oscura no encaja en algunas ideas sobre el funcionamiento del universo, en particular en el modelo estándar de la física de partículas.
Además, la física fundamental de partículas, incluida la búsqueda de materia oscura, ya ha generado avances tecnológicos significativos. Muchas de las herramientas de detección utilizadas en este campo son ampliamente aplicables a otros campos, como la imagenología médica o la seguridad nuclear.
Internet, por ejemplo, se creó en parte porque los físicos teóricos del CERN querían encontrar nuevas formas de intercambiar datos. Mientras tanto, el GPS se basa en cierta medida en la teoría general de la relatividad de Einstein, que explica cómo la gravedad curva el espacio y el tiempo.
La materia oscura parece estar distribuida por el cosmos como una red, formándose cúmulos de galaxias en los nodos donde se intersecan los filamentos. La materia oscura no interactúa con la luz, por lo que no podemos verla directamente. En cambio, los científicos detectan su presencia mediante su influencia gravitacional sobre los objetos visibles.
A continuación se presentan algunas pruebas clave de la existencia de materia oscura:
1. Curvas de rotación de galaxias
Cuando los astrónomos miden la velocidad de rotación de las estrellas alrededor del centro de las galaxias, descubren algo extraño. Las estrellas en los bordes de las galaxias se mueven mucho más rápido de lo que deberían si solo hubiera materia visible. Esto sugiere que algo invisible —la materia oscura— está aumentando la masa de la galaxia e impidiendo que estas estrellas escapen al espacio.
2. Lente gravitacional
Según la teoría general de la relatividad de Einstein, los objetos masivos pueden desviar la trayectoria de la luz. A medida que la luz de galaxias distantes viaja hacia nosotros, a veces pasa cerca de cúmulos invisibles de materia oscura, que desvían su trayectoria mediante un fenómeno llamado lente gravitacional. Al estudiar cómo los cúmulos de galaxias distorsionan la luz, los astrónomos han podido cartografiar la materia oscura del universo.
3. Radiación cósmica reliquia (RCR)
El fondo cósmico de microondas (CMB) es la radiación remanente del Big Bang que contiene pequeñas fluctuaciones de temperatura que revelan la distribución de la materia en el universo primitivo. La naturaleza de estas fluctuaciones solo tiene sentido si la materia oscura ya existía e influyó en la condensación de la materia ordinaria.
4. Estructura a gran escala del Universo
Las simulaciones por computadora de la evolución del Universo muestran que las galaxias y los cúmulos de galaxias se forman de esta manera solo en presencia de cantidades masivas de materia oscura. Sin ella, las estructuras serían mucho más pequeñas y dispersas.
Un misterioso resplandor que emana del centro de la Vía Láctea podría deberse a la destrucción de materia oscura. Mattia Di Mauro (ESO/Fermi-Lat)
A continuación se presentan algunos de los principales candidatos a materia oscura:
1. WIMP (partículas masivas de interacción débil)
Estas partículas hipotéticas se encuentran entre las principales contendientes. Poseen masa e interactúan mediante la gravedad y posiblemente la fuerza nuclear débil, pero no mediante la luz ni el electromagnetismo, lo que las hace invisibles. Grandes detectores subterráneos intentan detectar una de estas esquivas partículas en acción, pero hasta el momento no han tenido éxito.
2. Axiones
Los axiones son partículas ultraligeras que pueden existir en grandes cantidades y actuar como un fluido frío e invisible en el espacio. Son otro candidato sólido para la materia oscura, en particular porque podrían ayudar a resolver otros misterios de la física, como el problema de la composición CP fuerte en la física de partículas.
3. Neutrinos estériles
Los neutrinos son partículas fantasmales que apenas interactúan con la materia. Los neutrinos estériles serían aún más esquivos que los ordinarios y, de existir, podrían explicar parcial o totalmente la materia oscura.
4. Agujeros negros primordiales
Algunos científicos especulan que la materia oscura podría estar compuesta por diminutos agujeros negros que se formaron en el universo primitivo. Estos serían pequeños y difíciles de detectar, pero su existencia sigue siendo improbable.
Una nueva técnica experimental ha limitado un posible candidato a materia oscura llamado «fotones oscuros». Este nuevo método podría ayudar a los científicos a esclarecer la sustancia más misteriosa del universo al limitar la búsqueda de un candidato específico a materia oscura: los «fotones oscuros» ocultos.
La materia oscura constituye aproximadamente el 85% de la materia del universo, pero debido a que no interactúa con la luz, o lo hace de forma muy débil, permanece prácticamente invisible. El hecho de que la materia oscura no parezca interactuar electromagnéticamente significa que los científicos saben que no puede estar compuesta por los átomos que componen la materia «ordinaria», es decir, la que forma las estrellas, los planetas y nuestros cuerpos. La investigación del equipo se publicó en junio de 2023 en la revista Physical Review Letters.
El misterio de la materia oscura es un tema urgente para los científicos, ya que significa que la materia observable representa solo el 15 % de toda la materia del cosmos, sin contar la energía. Esto ha llevado a la búsqueda de posibles candidatos a materia oscura, como los llamados fotones «ocultos» u «oscuros».
Estos fotones oscuros se diferenciarán de los fotones ordinarios, las partículas sin masa que componen la luz, porque teóricamente se espera que los fotones oscuros tengan masa. Sin embargo, la masa de los fotones oscuros será insignificante, aproximadamente veinte órdenes de magnitud menor que la masa de un electrón. Es esta naturaleza ultraligera la que hace que los fotones oscuros sean buenos candidatos para la materia oscura, pero también los hace increíblemente difíciles de detectar.
Los fotones oscuros se propusieron inicialmente como candidatos a materia oscura porque, en teoría, interactuaban débilmente con los fotones ordinarios, lo que significa que podrían haber contribuido al calentamiento del universo primitivo. Esto explica por qué la red cósmica, la estructura a gran escala del universo que conecta las galaxias, era más caliente de lo previsto por las observaciones del Telescopio Espacial Hubble.
Investigadores del Instituto Tecnológico de California (Caltech) han desarrollado un nuevo método para detectar fotones oscuros. Si bien esta nueva estrategia aún no ha detectado ninguna partícula hipotética, ha limitado sus características, lo que facilitará la investigación futura.
«La sensibilidad de un experimento de fotones ocultos en materia oscura depende de la intensidad de la señal de materia oscura en comparación con la señal más pequeña que se pueda detectar», dijo a Phys.org Nikita Klimovich, miembro del equipo e investigadora del Departamento de Física de la Universidad de Oxford.
«Al buscar fotones ocultos, la amplitud de la señal de materia oscura depende del área de la antena metálica utilizada, mientras que el nivel mínimo de señal detectable está determinado en gran medida por el nivel de ruido de los amplificadores utilizados para leer la señal de la antena», añadió Klimovich.
La búsqueda de fotones oscuros por parte del equipo se inspiró en un intento previo de buscar materia oscura oculta, el experimento SHUKET, que utilizó un telescopio electromagnético. Estudios previos que inspiraron este trabajo, como el experimento SHUKET, generalmente buscaban maximizar la potencia de la señal mediante una antena de gran tamaño con los mejores amplificadores de bajo ruido disponibles comercialmente.
Sin embargo, en el nuevo estudio, el equipo adoptó un enfoque diferente: utilizó amplificadores confinados cuánticamente en lugar de los estándar y buscó fotones oscuros a temperaturas increíblemente bajas. Los estudiaron a temperaturas que oscilaban entre -459 grados Fahrenheit (-272,9 grados Celsius) y -459,6682 grados Fahrenheit (-273,149 grados Celsius), que es solo una fracción de grado por encima de la temperatura teóricamente más baja posible: el cero absoluto.
Si bien esto permitió a los científicos reducir significativamente los niveles mínimos de señal detectables en comparación con otros experimentos con equipos estándar, este método presentaba una seria desventaja. El pequeño volumen del aislamiento de vacío del criostato, que los científicos utilizaban para refrigerar su aparato, limitaba considerablemente el tamaño del recipiente metálico esférico que podían utilizar en su investigación.
Si bien esto significó una señal mucho más débil que la detectada por SHUKET y otros experimentos de materia oscura, el equipo esperaba que esta deficiencia se compensara con la mayor sensibilidad de las mediciones que recolectaron.
«Si existiera un fotón oculto con una masa correspondiente al rango de frecuencia al que somos sensibles, observaríamos un ligero exceso de potencia proveniente de la antena en comparación con la referencia», dijo Klimovich. «Como no observamos dicha señal, pudimos establecer un nuevo límite superior para la interacción de dicha partícula de fotón oculto con un campo electromagnético, basándonos en el nivel de señal más bajo que pudimos detectar».
Aunque la señal del fotón oscuro no estaba presente en las mediciones del equipo, el enfoque adoptado por los científicos impuso nuevas y estrictas restricciones a los fotones teóricamente ocultos. A medida que continúa la búsqueda de candidatos a materia oscura, estas restricciones y el nuevo enfoque podrían, en última instancia, contribuir al descubrimiento de los fotones oscuros y, por ende, a resolver el misterio de la materia oscura.
Algunos científicos especulan que la materia oscura podría consistir en diminutos agujeros negros formados por el colapso de los llamados «bariones oscuros». Alternativamente, la materia oscura podría ser un tipo de partícula creada por la radiación de Hawking en el horizonte cósmico.
Durante décadas, las WIMP (partículas masivas de interacción débil) se consideraron las principales candidatas a materia oscura. Sin embargo, a medida que la búsqueda de WIMP se estanca y los experimentos siguen fracasando, surgen nuevas teorías sobre la materia oscura. Entre ellas se encuentran dos nuevos modelos desarrollados por Stefano Profumo, profesor de física teórica de la Universidad de California en San Diego, cuyas ideas ofrecen una perspectiva completamente diferente sobre el problema de la materia oscura.
En uno de sus artículos, Profumo considera si un «sector oscuro» podría ser la fuente de la materia oscura. Con «sector oscuro», no se refiere a que nuestro universo esté gobernado por materia y energía oscuras. Se refiere, en cambio, a una especie de «mundo espejo» de partículas que interactúan mediante fuerzas que escapan al control de la materia en nuestro mundo. La hipótesis de Profumo sobre el sector oscuro y el agujero negro se publicó el 9 de mayo de 2024 en Physical Review D, y su modelo de horizonte cósmico se publicó en la misma revista el 8 de julio.
Profumo argumenta que este concepto no es tan extraño como podría parecer. Por ejemplo, enfatiza cómo los quarks dentro de los protones y neutrones están unidos por la fuerza nuclear fuerte. Los electrones son completamente insensibles a la fuerza nuclear fuerte. No la sienten en absoluto. Para ellos, la fuerza nuclear fuerte es un reino oscuro.
Diagrama de la historia del Universo y la ubicación del horizonte cósmico. Los efectos cuánticos en el horizonte podrían haber propiciado la aparición de la materia oscura en el Universo primitivo. Stefano Profumo
Según Profumo, los bariones oscuros serían equivalentes a los protones o neutrones en este sector oscuro, excepto que podrían contener más de tres quarks y por lo tanto ser más masivos.
El siguiente paso en la teoría del investigador se inspiró en su hijo adolescente, quien se preguntaba si una partícula lo suficientemente masiva podría colapsar bajo su propia gravedad y formar un miniagujero negro. Los bariones oscuros en el sector oscuro, si existen, podrían ser lo suficientemente masivos como para causar precisamente eso, y estos diminutos agujeros negros podrían ser comunes en todo el universo y, en conjunto, formar lo que llamamos materia oscura.
Los agujeros negros, grandes o pequeños, están rodeados por un límite invisible llamado horizonte de sucesos, dentro del cual la gravedad es tan intensa que ni siquiera la luz puede escapar. Sin embargo, el horizonte de sucesos es «caliente»: las partículas creadas en el límite por efectos cuánticos pueden emitir lo que llamamos radiación de Hawking (llamada así por el renombrado físico Stephen Hawking, a quien se atribuye la idea). Con el tiempo, la radiación de Hawking le quita masa y energía al agujero negro, provocando su evaporación gradual. Para los agujeros negros supermasivos, esto tomaría un tiempo inimaginablemente largo: al menos 10^100 años. Sin embargo, los agujeros negros en las escalas más pequeñas, a las que llamamos escala de Planck, pueden evaporarse en un tiempo menor que la edad del universo.
Sin embargo, si se hacen ciertas suposiciones sobre la naturaleza de estos agujeros negros formados por el colapso de bariones oscuros, entonces se puede suprimir su radiación de Hawking, evitando que se evaporen y permitiéndoles actuar como materia oscura.
Mientras tanto, otra de las ideas de Profumo también utiliza el concepto de radiación de Hawking, pero de una forma completamente nueva.
Vivimos en un universo que se expande a un ritmo acelerado, arrastrando consigo regiones del espacio tan distantes que su luz jamás nos alcanzará. Esto nos lleva a una frontera, u horizonte cósmico, que define el límite del universo visible. Más allá de este horizonte, puede que haya mucho más universo, pero nunca lo veremos.
Volvamos ahora al Big Bang. El universo comenzó con un estallido de energía expansiva conocido como inflación. Este período de inflación duró una diminuta fracción de segundo. Sin embargo, algunos modelos también sugieren que, tras la inflación, se produjo un segundo y breve estallido de energía expansiva. En esencia, este período de miniinflación podría estar relacionado con la inflación y su fin, o podría estar causado por factores similares.
Este segundo período de expansión creó horizontes cósmicos similares al que bordea el universo visible actual. Sin embargo, el universo visible actual tiene un diámetro de 93 mil millones de años luz, con la Tierra en su centro (el concepto de universo «visible» depende en gran medida del observador: observadores en diferentes partes del espacio verán diferentes volúmenes del universo observable centrado a su alrededor). El vasto tamaño del universo visible implica que la temperatura en el horizonte cósmico es muy baja, ya que el espacio mismo se ha vuelto altamente distribuido.
Esta imagen compuesta muestra la distribución de materia oscura, galaxias y gas caliente en el núcleo del cúmulo de galaxias en fusión Abell 520, formado por la violenta colisión de cúmulos de galaxias masivos. Las áreas azules indican la ubicación de la mayor parte de la masa del cúmulo, dominada por materia oscura. NASA, ESA, CFHT, CXO, MJ Jee, A. Mahdavi
Sin embargo, durante el segundo estallido de inflación, el Universo todavía era increíblemente compacto y la temperatura en el horizonte todavía era extremadamente alta.
Profumo se dio cuenta de que estos horizontes cósmicos tempranos podrían actuar como horizontes de eventos; de hecho, el concepto recuerda un poco a un agujero negro, pero a la inversa, ya que todo lo que está más allá del horizonte cósmico está separado de nosotros para siempre, al igual que todo lo que está dentro del horizonte de eventos de un agujero negro está separado de nosotros. Y, al igual que la radiación de Hawking es emitida por el horizonte de eventos de un agujero negro, Profumo planteó la hipótesis de que el horizonte cósmico también podría experimentar la radiación de Hawking, y que la energía de esta radiación podría convertirse en algún tipo de partícula de materia oscura.
Esto puede parecer algo arbitrario, ya que la posición del horizonte cósmico depende de la ubicación del observador. Sin embargo, dado que el universo es homogéneo (igual en cada punto a gran escala) e isótropo (igual en todas las direcciones) —dos verdades que llamamos principio cosmológico—, dos observadores cualesquiera deberían ver la misma cantidad de materia oscura, independientemente de su ubicación.
Profumo no afirma que la materia oscura deba ser necesariamente una de estas dos posibilidades; de hecho, el hecho de que haya desarrollado dos teorías implica que no desea vincular sus colores a ninguna teoría en particular.
Lo único que sabemos con certeza sobre la materia oscura es que interactúa mediante la gravedad y, sin embargo, a pesar de su enigma, domina por completo cómo la materia del universo se agrupa en galaxias. Ha pasado casi un siglo desde que Fritz Zwicky propuso por primera vez su existencia, y aproximadamente medio siglo desde que Vera Rubin confirmó la necesidad de la materia oscura en nuestro universo, pero aún desconocemos su existencia. Los experimentos pueden acotar sus propiedades, así que cuantas más ideas tengamos, más probable será que coincidamos con las propiedades observadas de la materia oscura.
Algunos investigadores han sugerido que la materia oscura no existe en absoluto; quizás nuestra comprensión de la gravedad se desmorona a gran escala. Una de las teorías alternativas más destacadas se denomina Dinámica Newtoniana Modificada (MOND). Esta corrige el comportamiento de la gravedad a aceleraciones muy bajas, como en las afueras de las galaxias.
Sin embargo, la teoría MOND y teorías similares no pueden explicar todos los datos disponibles, especialmente los patrones detallados del fondo cósmico de microondas y la lente gravitacional. Por ello, la mayoría de los científicos aún creen que la materia oscura es una sustancia real que aún no podemos detectar directamente.
La materia oscura no interactúa con la luz, por lo que no podemos verla directamente. En cambio, los científicos detectan su presencia mediante su influencia gravitacional sobre los objetos visibles.
Los cosmólogos generalmente creen que la respuesta es que la materia oscura explica el comportamiento de las galaxias. Esto se debe en parte a la dificultad de formular una teoría exitosa de la MOND (gravedad modificada). Y en parte a que, cuando los científicos apuntaron telescopios de microondas a la radiación cósmica de fondo (CMB), la luz del universo primitivo, resultó que, según la relatividad general, también se requería la misma cantidad y tipo de materia oscura para explicar el comportamiento de las ondas sonoras que se propagaron por el universo cuando este tenía menos de 500.000 años, y cuyas huellas podemos ver. La gravedad modificada tiene dificultades para proporcionar una explicación unificada para todos estos sistemas: galaxias, cúmulos de galaxias y el propio universo.
Si la materia oscura existe, debe tener masa. La materia oscura sin masa no podría comportarse de una manera que resolviera los problemas que plantea.
Dos cosas que sabemos con certeza sobre la materia oscura (suponiendo que exista) son que ejerce una fuerza gravitacional (tiene masa) y que se mueve lentamente (en comparación con la velocidad de la luz).
Los experimentos, a menudo realizados a gran profundidad para protegerse de los rayos cósmicos, están diseñados para detectar partículas de materia oscura que interactúan con el detector. Experimentos como LUX-ZEPLIN (LZ) y XENONnT llevan la sensibilidad a un nuevo nivel.
El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) hace colisionar partículas a altas energías, lo que potencialmente produce partículas de materia oscura que son indetectables pero que dejan energía y momento faltantes en los datos de la colisión.
Telescopios de todo el mundo y en el espacio continúan cartografiando la distribución de la materia oscura mediante lentes gravitacionales y estudios de galaxias. Instrumentos como el Observatorio Vera C. Rubin y la misión Euclid de la Agencia Espacial Europea proporcionarán datos aún mejores.
Experimentos especializados como ADMX (el Experimento de Materia Oscura Axion) y las búsquedas de neutrinos estériles están probando otros posibles candidatos a materia oscura.
Puede encontrar más información sobre la materia oscura en el sitio web del Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi (EE. UU.), que realiza experimentos con partículas de alta energía en colisionadores de partículas de vanguardia con el objetivo de descubrir partículas que podrían llenar los vacíos en nuestra comprensión del universo. La Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN), el mayor laboratorio de física de partículas del mundo, también busca partículas de materia oscura desaparecidas. NASA, Energía Oscura, Materia Oscura, https://science.nasa.gov/astrophysics/focus-areas/what-is-dark-energy, CERN, Materia Oscura, https://home.cern/science/physics/dark-matter
La materia oscura representa aproximadamente el 80% de la masa del universo. MARK GARLICK/SCIENCE PHOTO LIBRARY
La fuerza antigravedad que impulsa la expansión acelerada del universo parece estar distribuida uniformemente en el espacio y el tiempo.
Según el equipo de investigación, los resultados también permiten determinar con mayor precisión la proporción de energía y materia en el Universo que corresponde a energía oscura. El estudio del equipo se publicó en abril de 2023 en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Llegaron a sus conclusiones después de analizar observaciones de cúmulos de galaxias realizadas por el telescopio de rayos X eROSITA, que escanea todo el cielo sobre la Tierra en busca de cúmulos de galaxias detectables. eROSITA está montado en Spektr-RG, un telescopio espacial ruso-alemán lanzado a la órbita terrestre en 2019.
Los cúmulos de galaxias son útiles para comprender la energía oscura, ya que, a gran escala, esta extraña y repulsiva fuerza de «antigravedad» debería suprimir la formación de gigantescas estructuras cósmicas. Esto significa que la energía oscura determina cómo y dónde se forman los cúmulos de galaxias, los objetos más grandes del universo.
El Sondeo de Profundidad Final Ecuatorial (eFEDS) de eROSITA descubrió aproximadamente 500 cúmulos de galaxias, una de las muestras más grandes de cúmulos de galaxias de baja masa descubiertas hasta la fecha. Los cúmulos observados abarcan aproximadamente los últimos 10 000 millones de años de la evolución del Universo, de 13 800 millones de años de antigüedad.
Imágenes de rayos X (arriba) y en falso color óptico (abajo) de tres cúmulos de galaxias de baja masa estudiados por el telescopio eROSITA. El cúmulo con el mayor corrimiento al rojo data de un período en el que el Universo era aproximadamente 10 000 millones de años más joven que hoy. En este caso, las galaxias del cúmulo son claramente mucho más rojas que las galaxias de los otros dos cúmulos. eROSITA
El equipo de investigación combinó las observaciones de eROSITA con datos ópticos obtenidos durante la misión estratégica Hyper Suprime-Cam de Subaru. Esto permitió el primer estudio cosmológico con cúmulos de galaxias descubiertos por eROSITA.
Los resultados del estudio se compararon con las predicciones teóricas, confirmando que la energía oscura representa aproximadamente el 76 % de la densidad energética total del universo. Los resultados también indican que esta densidad energética es uniforme en el espacio y constante a lo largo del tiempo.
Los resultados del equipo coinciden con los de otros enfoques independientes para el estudio de la energía oscura, como estudios previos de cúmulos de galaxias e investigaciones basadas en el efecto de la gravedad sobre la luz, conocido como lente gravitacional débil. Sin embargo, si bien estos nuevos descubrimientos arrojan más luz sobre la energía oscura, esta fuerza sigue siendo un misterio que los físicos están ansiosos por desentrañar.
En la década de 1920, el astrónomo estadounidense Edwin Hubble observó galaxias distantes, lo que reveló que se alejaban de nosotros. Además, cuanto más lejos está una galaxia, más rápido se aleja, lo que llevó a los científicos a descubrir que el universo se está expandiendo.
Esto fue lo suficientemente impactante como para cuestionar la idea entonces prevaleciente de que el universo existía en un estado estable. La situación se volvió aún más extraña en 1998, cuando las observaciones de supernovas distantes revelaron que el universo no solo se expandía, sino que también se aceleraba.
Para explicar esta aceleración, los científicos necesitan una fuente, y la llaman «energía oscura», que proporciona una especie de «antigravedad» para acelerar la expansión cósmica.
Sin embargo, a pesar de saber qué hace la energía oscura y poder calcular que constituye alrededor del 76% de la energía y la materia del Universo, los científicos aún no saben realmente qué es ni por qué comenzó a afectar al Universo en sus épocas posteriores.
