Materia oscura, reto de la física moderna

En 1933 el físico Fritz Zwicky calculó la velocidad a la que deberían rotar las galaxias en el Cúmulo Coma , y al observar sus estrellas encontró una discrepancia: su velocidad de rotación era 100 veces más rápida de lo calculado y propuso la existencia de un tipo de materia “invisible” para explicar esa aceleración. Hacia 1970, la astrónoma Vera Cooper Rubin confirmó estas observaciones y aportó más evidencias sobre la materia oscura .

Para físicos del Cinvestav como Nora Bretón Báez, la materia oscura se puede explicar como un campo de partículas que interactúan gravitacionalmente, pero no de otra manera; es una especie de masa cuyos efectos gravitacionales se observan, pero no es materia luminosa .

Eduard de la Cruz Burelo compara el fenómeno con un carrusel al girar, donde una persona ubicada lejos del centro se mueve más lento que una cercana al centro, por efecto de la gravedad, y eso debería suceder también a niveles galácticos.

Las observaciones indican que las galaxias rotan a una velocidad mayor de la prevista, si se toman en cuenta los efectos gravitacionales de la materia visible observada (gas y estrellas), por lo tanto deducen que existe un tipo de materia que no emite ni absorbe luz y por tal razón no es posible observarla directamente.

Se sabe de su existencia por la observación de sus efectos gravitacionales y por el fenómeno llamado lentes gravitacionales (la Relatividad establece que la luz es deflectada se dobla o curva, al pasar a través de una región con gran cantidad de materia), cuando la luz se deflecta más de lo debido al tomar en cuenta la materia visible de las galaxias; pero existe un tipo de materia invisible que deflecta la trayectoria de la luz llegada a la tierra de varios cúmulos de galaxias .

Una evidencia más es la radiación cósmica de fondo presente en el espacio; es una luz similar a un eco generada en una millonésima de segundo después del Big Bang, con pequeñas fluctuaciones de temperatura que dan información sobre la cantidad de materia y energía, tanto materia visible como oscura.

La materia oscura se convierte en un problema fundamental, porque tiene que ver con la evolución del cosmos y es responsable de la existencia de las galaxias; gracias a ella el sol se encuentra orbitando en la Vía Láctea, es la responsable de la observación del universo en su modelo actual y evita que las estrellas se disparen hacia el vacío.

Se piensa en la materia oscura como algo que tiene masa porque gravitacionalmente actúa igual a la materia visible, en ese sentido la primera opción es imaginarla como una partícula aún sin conocer, que por alguna razón interaccione muy débilmente con las partículas de materia conocida y por eso no se ha podido observar.

Los experimentos de búsqueda directa usan grandes cantidades de material muy denso esperando hacerlo chocar con una partícula de materia oscura y poder medir su propiedades, pero a “la fecha no se ha encontrado nada, sin embargo, esos trabajos sirven para poner límites a la posibilidad de masa e interacción que podría tener alguna partícula de materia oscura, hasta el momento ayudan a saber qué no es”, señala De la Cruz.

Por un tiempo se pensó que la materia oscura eran los neutrinos y se ha intentado modelar mediante partículas con ciertas propiedades (campos escalares). Si se tratara de esta opción, existen dos teorías de interés; en primera, la materia oscura estaría formada por partículas masivas, denominadas WIMP (weakly interacting massive particles), producidas con el resto de las conocidas durante el Big Bang .

Esta partícula serían diez, cien o hasta mil veces más pesadas que el protón; su problema es la poca interacción con la materia visible; en la segunda opción, como partícula, otro candidato es el llamado axión y su diferencia con los WIMP es su ligereza, billones de veces menor.

Para los investigadores también podría ser una partícula que no provenga de estas teorías, existen muchas posibilidad, rangos de masa y de interacción; es más, podría no ser una partícula, como algunos modelos proponen, aunque ahora, con la información existente, ésta explica la mayor cantidad de observaciones y fenómenos.

Otros estudios han propuesto una modificación a la teoría de la gravitación a nivel galáctico, porque se observa una discrepancia en las leyes de la gravitación cuando se ve el comportamiento de las galaxias, “es algo que no le gusta mucho a los físicos, porque las leyes de la naturaleza deben ser universales y se deberían comportar de la misma forma a escalas diferentes”, aclara Ricardo López.

Casi 26% de la materia y energía del Universo es materia oscura y menos de 5 por ciento es materia bariónica o visible, razón por la cual su estudio se ha convertido en el reto más importante de la física moderna y la importancia de su entendimiento fue ubicado en la posición uno de las 125 grandes interrogantes del siglo XXI por la revista Science .

jpe