En pleno Halloween, la astronomía festeja el Día de la Materia Oscura

• La materia y energía oscuras representan dos componentes desconocidos que podrían revolucionar la física.
• Su existencia explica fenómenos cósmicos que no encajan en la física actual, pero su naturaleza sigue sin ser comprendida.
• A pesar de la expansión de conocimientos desde el Big Bang, aún desconocemos la composición del 95% del Universo.

Lo esencial: pese a los avances en cosmología y física subatómica, la materia oscura y la energía oscura aún son enigmas cruciales. Sabemos que el Universo se originó en el Big Bang y que ha crecido en tamaño y complejidad desde entonces, formando galaxias y estructuras a medida que se enfría. Sin embargo, a pesar de entender cómo funcionan muchos procesos, desde los agujeros negros hasta las primeras etapas del cosmos, la física actual no puede explicar dos componentes esenciales que representan casi el 95% de todo el contenido energético del Universo. Conocer la naturaleza de estas “entidades oscuras” podría cambiar nuestra comprensión de la estructura y evolución del Universo.

Por qué importa: el avance en el estudio de la materia y energía oscuras es fundamental para resolver uno de los mayores misterios de la física moderna, con implicaciones tanto para la cosmología como para la física de partículas.

• Estos componentes explican la atracción gravitacional de galaxias y el movimiento acelerado de expansión universal.
• Entenderlos nos permitiría completar el Modelo Estándar de la física, ampliando la comprensión del cosmos y del mundo subatómico.
• Actualmente, múltiples experimentos en laboratorios de todo el mundo intentan desvelar su naturaleza, un paso clave en el futuro de la ciencia.

Uno de los misterios que más intrigan a los astrónomos, físicos y otros científicos que estudian el cosmos es el de la materia oscura, que representa el 85 % de toda la materia que hay en el Universo, pero todavía no sabemos de qué está hecha.

Mientras su naturaleza es una de las grandes incógnitas a la que se enfrenta la astrofísica moderna, hoy junto con la fiesta pagana de Halloween se festeja el Día de la Materia Oscura.

La fecha, instaurada desde 2017 para celebrar todo aquello que los astrónomos no pueden ver ni detectar en forma directa, pero que se hace evidente a través de su atracción gravitatoria sobre otros cuerpos celestes, sigue fascinando a los científicos. Aunque invisible y sin interacción directa con la luz o la radiación que conocemos, su presencia ha sido inferida a partir de los efectos gravitacionales que ejerce sobre la materia observable, como estrellas y galaxias.

La historia del Universo comenzó hace aproximadamente 13.800 millones de años, con un estado extremadamente denso y caliente, conocido como el Big Bang. Desde entonces, el Universo se ha expandido y enfriado, permitiendo la formación de galaxias, estrellas y planetas. Hoy en día, gracias a la observación y teorías bien sustentadas, comprendemos gran parte de estos procesos y fenómenos. Sabemos cómo se desarrollan las estrellas, cómo se comportan los agujeros negros e incluso los detalles de los primeros instantes después del Big Bang.

Sin embargo, existe un gran vacío en este conocimiento: el origen y la composición de casi el 90% del Universo, dominado por dos misteriosos componentes, la materia oscura y la energía oscura. A diferencia de la materia ordinaria, que compone planetas, estrellas y seres vivos, estos elementos invisibles no emiten ni absorben luz y solo pueden detectarse a través de sus efectos gravitacionales y la influencia que ejercen en la expansión del cosmos.

“El Universo es todo: materia, energía, espacio y tiempo. Habitualmente la gente asocia al universo con el espacio, pero la realidad es que estos cuatro temas son lo que constituyen el Universo. Y hay una serie de factores generales que organizan ese todo. El cosmos es todo y eso que organiza el espacio tiene que ver con lo que lo constituye. No alcanza con decir energía y materia. Recordemos que nuestro ojo detecta una fracción muy pequeña de rangos de energía que se denominan visible. Pero más allá está el infrarrojo, las ondas de radio, las ultravioletas, los rayos X y rayos gamma. Es decir, la energía básica es esa. Y la materia también hay que describirla, hay que decir qué tipo de materia tengo ahora en ese espacio tiempo que está entrelazado. Lo que llamamos materia tiene una característica básica y esa característica es la gravedad”, comenzó a explicar a Infobae Beatriz García, astrofísica y vicedirectora del Instituto de Tecnologías en Detección y Astropartículas (ITeDA).

“El tema es que hay materia normal de la que están hechas las cosas, las estrellas, las nubes de material interestelar de la que se forman las estrellas e inclusive nubes que no son brillantes o que no están, cuyos átomos y moléculas no están excitadas por la radiación estelar y por lo tanto no brillan, y que llamamos nubes oscuras de carbón, de calcio, silicio, etcétera. Nubes de las que se forman otras estrellas, de las que surgen sistemas planetarios, o mejor dicho, exoplanetarios. Pero también hay una materia que no vemos que ejerce acción gravitatoria y que es lo que denominamos materia oscura”, agregó García.

La experta astrofísica precisó que entre las energías que están en el cosmos hay algo que mantiene su expansión. “El universo nace de un punto sin dimensiones donde no existía el tiempo y donde todo era energía y algo sucede, algo que desconocemos por el momento, que altera ese equilibrio en el que se encontraban las cosas. Y a partir del momento del nacimiento del universo empieza la expansión y se enfría. Al enfriarse, la energía se transforma en materia. Pero resulta que no todo es materia normal. La materia de la que están hechas las estrellas, las nubes de material interestelar, los planetas y también nuestros cuerpos se llama bariónica. Pero hay otra que no vemos y que también deforma el espacio tiempo y es la materia no bariónica o materia oscura”, sostuvo a investigadora del Conicet.

Para García, esta materia controla el movimiento de las galaxias. “Cuando una galaxia se interpone entre un objeto lejano y el observador genera eso que denominamos lentes gravitacionales. Hay experimentos que se han hecho y se están haciendo para demostrar su naturaleza, porque su existencia está demostrada. La deformación del espacio tiempo es clarísima. El asunto es qué tipo de materia es esa que ejerce gravedad, que deforma el espacio tiempo y que al deformarlo desvía la luz. Y por eso podemos ver objetos muy lejanos alineados con el observador. Hoy tenemos una enorme cantidad de materia oscura en el camino, pero no tenemos todavía indicios de qué partículas son. Por eso las llamamos partículas débilmente interactuantes. Y hay experimentos que intentan explicarla y que intentan detectar estas partículas. Uno de esos experimentos se está desarrollando en la República Argentina. Es el proyecto Andes”, precisó la especialista.

La materia oscura, a diferencia de la energía oscura, no actúa acelerando la expansión del Universo. En cambio, se concentra en torno a las galaxias, manteniendo su estructura y evitando que se desintegren debido a la velocidad de rotación. Este efecto ha sido clave para deducir su existencia, especialmente a través de estudios de rotación galáctica y la observación de cúmulos de galaxias.

Actualmente, laboratorios alrededor del mundo, como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en Suiza y experimentos en instalaciones subterráneas como el Experimento XENON en Italia, buscan rastrear partículas que puedan representar a la materia oscura, intentando observar sus interacciones con la materia ordinaria.

Estos experimentos se enfrentan a desafíos únicos, ya que las partículas de materia oscura no interactúan mediante las fuerzas electromagnéticas, lo que las hace extremadamente difíciles de detectar. Científicos han propuesto la existencia de partículas como los WIMPs (partículas masivas de interacción débil) y los axiones, aunque aún no se han logrado observaciones concluyentes.

La misión espacial de la Agencia Espacial Europea (ESA) con colaboración de la NASA llamada Euclid, lanzada en 2023, creará un mapa 3D del universo para observar cómo la materia ha sido destrozada por la energía oscura a lo largo del tiempo. Este mapa incluirá las observaciones a miles de millones de galaxias que se encuentran a una distancia de hasta 10.000 millones de años luz de la Tierra.

Además, el telescopio espacial James Webb de la NASA (lanzado en 2021), el más poderoso y más grande del mundo, tiene como objetivo hacer contribuciones a varias áreas de investigación y contribuirá a los estudios sobre la energía oscura.

El telescopio espacial Nancy Grace Roman de la NASA, cuyo lanzamiento está previsto para mayo de 2027, está diseñado para investigar la energía oscura, entre muchos otros temas científicos, y también creará un mapa 3D de la materia oscura. Su resolución será tan nítida como la del telescopio espacial Hubble de la NASA, pero con un campo de visión 100 veces mayor, lo que le permitirá captar imágenes más extensas del universo.

Esto permitirá a los científicos cartografiar cómo la materia se estructura y se extiende por todo el universo y explorar cómo la energía oscura se comporta y ha cambiado a lo largo del tiempo. Roman también llevará a cabo un estudio adicional para detectar supernovas.

Además de las misiones y esfuerzos de la NASA, el Observatorio Vera C. Rubin, respaldado por una gran colaboración que incluye a la Fundación Nacional de Ciencias de Estados Unidos y que actualmente está en construcción en Chile, también está preparado para apoyar nuestra creciente comprensión de la energía oscura. Se espera que este observatorio terrestre esté operativo en 2025.

Los esfuerzos combinados de Euclid, Roman y Rubin marcarán el comienzo de una nueva “edad de oro” de la cosmología, en la cual los científicos recopilarán información más detallada que nunca acerca de los grandes misterios de la energía oscura.

La comprensión de la materia oscura no solo ayudaría a completar el Modelo Estándar de la física, sino que también abriría nuevas puertas en la investigación del cosmos. Si bien la física actual ha avanzado en explicar muchos de los fenómenos observables, la composición y naturaleza de esta “materia invisible” representan un horizonte inexplorado que podría redefinir nuestro lugar en el Universo y ofrecer respuestas a preguntas esenciales sobre el origen y destino del cosmos.

El descubrimiento de la naturaleza de la materia y la energía oscuras promete revolucionar el campo de la física y la cosmología, acercándonos cada vez más a una comprensión plena del Universo. Mientras tanto, los científicos siguen trabajando incansablemente para desvelar estos misterios cósmicos, confiando en que sus esfuerzos iluminen los secretos de lo que permanece oculto a simple vista, pero que constituye la mayor parte de la existencia universal.