Masa que se puede pesar pero no ver
Los astrónomos pesan las cosas por cómo se mueven. La velocidad de un planeta alrededor del Sol da la masa del Sol; la velocidad de una estrella alrededor del centro de la galaxia da la masa dentro de su órbita. Cuando se hace esto con galaxias y cúmulos, sale mucho más de lo que suman todas las estrellas, el gas y el polvo. La parte que falta se llama materia oscura: atrae con su gravedad, pero no emite ni absorbe luz.
Cómo sabemos que existe
Las evidencias llegan desde varias direcciones independientes, y por eso la mayoría de los físicos la toma en serio.
- Cúmulos de galaxias. En 1933, Fritz Zwicky midió la velocidad de las galaxias en el cúmulo de Coma y vio que se movían tan rápido que el cúmulo ya se habría deshecho, salvo que tuviera cientos de veces más masa de la que indicaba su luz.
- Curvas de rotación. En los años setenta, Vera Rubin y Kent Ford mostraron que las estrellas del borde de las galaxias espirales giran tan rápido como las cercanas al centro. La materia visible predice que deberían frenarse. Nuestra respuesta sobre curvas de rotación de galaxias lo trata en detalle.
- Lentes gravitacionales. La masa desvía la luz. Al mapear cómo aparecen deformadas las galaxias del fondo se ve dónde está la masa, y alrededor de galaxias y cúmulos hay mucha más de la que se ve.
- El Cúmulo Bala. En este par de cúmulos que chocaron, el gas caliente, que es la mayor parte de la materia ordinaria, se frenó en el choque, mientras que la masa medida por la lente siguió de largo. Douglas Clowe y colegas publicaron el mapa en 2006. La masa y la materia visible quedaron en lugares distintos.
- La radiación cósmica de fondo. El patrón de manchas calientes y frías que dejó el universo temprano depende de cuánta materia interactúa con la luz y cuánta no. El ajuste del satélite Planck en 2018 da cerca del 5% de materia ordinaria, 27% de materia oscura y 68% de energía oscura.
De qué podría estar hecha
Nadie lo sabe. Los principales candidatos:
- WIMP, partículas masivas de interacción débil, que aparecen de forma natural en extensiones del Modelo Estándar. Durante décadas fueron las favoritas.
- Axiones, partículas muy ligeras propuestas en origen para resolver otro enigma, en la física de la fuerza fuerte.
- Neutrinos estériles, parientes más pesados de los neutrinos comunes que solo sienten la gravedad.
- Agujeros negros primordiales, formados en los primeros instantes tras el Big Bang. Las observaciones descartan la mayoría de los rangos de masa en los que podrían ser toda la materia oscura.
La búsqueda hasta hoy
Muy bajo tierra, detectores como LZ, en Dakota del Sur, y XENONnT, en Italia, esperan que una partícula de materia oscura golpee un núcleo atómico dentro de toneladas de xenón líquido. ADMX intenta captar axiones que, en un campo magnético intenso, se convierten en fotones de microondas. El Gran Colisionador de Hadrones busca energía que desaparece tras las colisiones. Ninguno ha encontrado nada todavía, pero cada resultado nulo estrecha el lugar donde la materia oscura puede esconderse.
Mientras tanto, los telescopios cartografían la materia oscura por su gravedad: el telescopio espacial Euclid, lanzado en 2023, y el Observatorio Vera C. Rubin miden lentes débiles en miles de millones de galaxias.
Dudas y alternativas
Sin partícula detectada, las alternativas siguen vivas. MOND, propuesta por Mordehai Milgrom en 1983, cambia la ley de la gravedad a aceleraciones muy bajas y predice muchas curvas de rotación solo con la materia visible. La gravedad emergente de Erik Verlinde intenta derivar un efecto parecido de la teoría de la información. Ambas tienen dificultades con los cúmulos de galaxias y la radiación cósmica de fondo, donde la materia oscura funciona bien. La respuesta sobre curvas de rotación las compara.
Dónde se sitúa este programa
El programa de investigación de este sitio no propone un modelo de materia oscura. Su preprint, Pointer Architecture v9.0, trabaja al nivel de un sustrato computacional formal; su única afirmación cosmológica reproduce la estimación holográfica estándar de la energía oscura, que trata de la expansión del universo y no dice nada sobre la composición de la materia oscura.
Conclusión
La materia oscura es un efecto bien medido de causa desconocida. Sus huellas gravitatorias coinciden en galaxias, cúmulos, lentes y en el universo temprano, y por eso sigue siendo la explicación estándar. De qué está hecha es una de las mayores preguntas abiertas de la física.