Por: Dr. José Manuel Nieto Jalil/ Director del Departamento Regional de Ciencias en la Región Centro-Sur
Tecnológico de Monterrey Campus Puebla
El estudio de la materia oscura es una de las líneas de investigación más inquietantes de la cosmología. Desde su detección a comienzos de la década de los treinta del siglo pasado, se ha puesto mucho empeño en caracterizar este tipo de materia, sin embargo, en la actualidad sigue siendo una gran desconocida.
La física de partículas elementales y el estudio de las interacciones entre ellas intenta desvelar el estado y la evolución del Universo, los científicos están convencidos de que el Universo contiene mucha más materia de la que podemos observar directamente. Es decir, que debe haber un tipo de materia oscura que no emite radiación alguna y que, por lo tanto, resulta invisible incluso para nuestros más avanzados instrumentos. Sólo sabemos que está ahí por los efectos gravitatorios que ejerce sobre la materia que sí podemos observar.
La materia oscura es uno de los grandes enigmas científicos, una misteriosa y fantasmal sustancia invisible que, según las teorías más aceptadas, compone cerca del 23% del total de la masa del Universo (la materia ordinaria, la que podemos ver, sólo supone un 4%, y el resto es algo todavía más extraño, la energía oscura). Su función es aportar la masa extra necesaria para que las galaxias se mantengan unidas y no se dispersen por el espacio. Su existencia parece casi una obligación científica, pero nadie nunca ha podido dar con ella.
La existencia de la materia oscura fue propuesta por primera vez por el astrofísico suizo Fritz Zwicky del Instituto Tecnológico de California (Caltech) en 1933 ante la evidencia de una masa no visible que influía en las velocidades orbitales de las galaxias en los cúmulos. Fritz planteó la idea de que el Universo contenía mucha más materia de la que podemos ver. Casi al mismo tiempo, pero en 1932 el holandés Jan Oort descubrió que la densidad de la materia cerca del Sol era casi dos veces superior a lo que podría explicarse sólo por las estrellas y el gas, adicionalmente se percató de que la velocidad orbital de las estrellas de la Vía Láctea no coincidía con la velocidad esperada.
Los astrónomos bautizaron a ese nuevo tipo de materia como materia oscura. El concepto, de hecho, ha servido para justificar el movimiento a menudo inexplicable de muchas estrellas y galaxias, que actúan y se mueven como si estuvieran siendo atraídas por algo que, sin embargo, no conseguimos ver.
Los descubrimientos de Fritz Zwicky y de Jan Oort no tuvieron la repercusión deseada, fueron considerados como curiosidades astronómicas, sin embargo, la materia oscura vuelve a aparecer en el radar de la mayoría de los científicos en 1974, gracias a las observaciones de la astrónoma estadounidense Vera Rubin del Departamento de Magnetismo Terrestre del Carnegie Institution of Washington, quien recurrió a esa enigmática forma de materia para explicar la velocidad y los movimientos aparentemente inexplicables de muchas estrellas y al presentar nuevos hallazgos basados en un nuevo espectrógrafo muy sensible de la existencia de la materia oscura.
Desde entonces, investigadores de todo el mundo han dedicado una enorme cantidad de esfuerzo y recursos para identificar esa materia oscura, tanto directamente en el espacio o bajo tierra como en experimentos de física de partículas en los mayores aceleradores disponibles como en la CERN (Organización Europea para la Investigación Nuclear), que es el mayor laboratorio de investigación en física de partículas del mundo, aunque siempre sin resultado alguno.
Desde principio del siglo XX se pensó que el Universo se venía expandiendo de forma uniforme como consecuencia del Big Bang ocurrida aproximadamente hace unos 14 mil millones de años. En 1998 un equipo de investigadores australianos y estadounidenses descubrió, a través de la observación de supernovas distantes, que la expansión del Universo no era uniforme, sino acelerada. Es decir que, de forma inexplicable, el Universo crecía cada vez más deprisa y que probablemente tendrá un final helado. Alguna clase de energía desconocida tenía que ser, por fuerza, la impulsora de esa aceleración sin freno a todas luces más poderosa que la energía gravitatoria de Newton. El hallazgo mereció un premio Nobel en 2011 y revolucionó los cimientos de la cosmología.
Todavía no sabemos lo que es la materia oscura, pero sabemos que existe y cómo influye en la formación de galaxias, cúmulos galácticos y otras grandes estructuras del Universo. Hay en curso decenas de experimentos que buscan la materia oscura con tesón tanto de forma directa como indirecta. Nadie duda de que en la próxima década se desvelará el gran secreto.
La materia oscura está compuesta por partículas que no absorben, reflejan, o emiten luz, no puede ser vista directamente, y desconocemos su composición. Los científicos han diseñado diferentes estrategias para encontrar estas posibles partículas candidatas a materia oscura. Dar con ellas es uno de los mayores desafíos actuales de la física.
Lo que sí que sabemos es que, si no fuera por la materia oscura, las estrellas de nuestra galaxia se dispersarían sin remedio, volando en todas direcciones en lugar de girar ordenadamente alrededor de una zona central. Es decir, que sin materia oscura no habría galaxia, ya que la cantidad de materia ordinaria que contiene no basta para mantenerla unida y en orden.
En paralelo, muchos científicos consideran que la materia oscura no se ajusta a ciertas ideas sobre el funcionamiento del Universo, en particular al modelo estándar de la física de partículas, otros consideran la posibilidad de que la materia oscura no sea materia, sino un artefacto causado por la incompleta comprensión de la teoría de la gravedad, por lo que consideran que a pesar de los enormes recursos que se han invertido, aún quedan muchos misterios sin explicar relacionados con la materia y la energía oscura.
En aceleradores de partículas tan energéticos como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) de la CERN, se pueden recrear las condiciones de segundos después del Big Bang y producir o fabricar partículas de materia oscura a partir de colisiones de protones muy energéticos. La dificultad que tiene el identificar partículas candidatas a materia oscura en estos tipos de experimentos es que la materia oscura interacciona muy débilmente con la materia y es prácticamente imposible en estos casos encontrar su rastro o traza.
En la actualidad, después de varias décadas de experimentos infructuosos y búsquedas sin cuartel, cada vez son más los investigadores que ponen en duda la existencia de lo que hemos dado en llamar materia y energía oscuras, sin embargo, muchos científicos tienen grandes expectativas para la detección de materia oscura en los próximos años. Cuando entendamos qué es la materia oscura y cómo se comporta, será un gran paso para comprender los fundamentos del Universo
