Más del 80% de la materia del universo está formada por cosas que los científicos nunca han visto antes. Se llama materia oscura y simplemente asumimos que existe porque sin ella, el comportamiento de las estrellas, los planetas y las galaxias simplemente no tiene sentido. Esto es lo que sabemos, o mejor dicho, lo que creemos saber. ¿Qué es la materia oscura y por qué es invisible? La materia oscura es completamente invisible. No emite luz ni energía y, por tanto, no puede ser detectado por sensores y detectores tradicionales. Los científicos creen que la clave de su naturaleza esquiva debe residir en su composición. La materia visible, también llamada materia bariónica, está formada por bariones, el nombre colectivo de partículas subatómicas como protones, neutrones y electrones. Los científicos sólo especulan sobre de qué está hecha la materia oscura. Puede estar formado por bariones, pero también puede ser no bariónico, es decir, formado por diferentes tipos de partículas. La mayoría de los científicos creen que la materia oscura está compuesta de materia bariónica. Se cree que las principales candidatas WIMPS (partículas masivas de interacción débil) tienen entre diez y cien veces la masa de un protón, pero sus débiles interacciones con la materia "normal" las hacen difíciles de detectar. Los neutrinos, hipotéticas partículas gigantes más pesadas y más lentas que los neutrinos, son los candidatos más importantes, aunque aún no han sido descubiertos. Los neutrinos estériles son otro candidato. Los neutrinos son partículas que no forman la materia regular. Un río de neutrinos proviene del sol, pero como rara vez interactúan con la materia normal, fluyen a través de la Tierra y sus habitantes. Se conocen tres tipos de neutrinos; un cuarto, el neutrino estéril, ha sido propuesto como candidato a materia oscura. Los neutrinos estériles sólo pueden interactuar con la materia normal mediante la gravedad. "Una de las preguntas abiertas es si existe un patrón en la fracción que entra en cada especie de neutrino", dijo a Space Tess DeYoung, profesora asociada de física y astronomía en la Universidad Estatal de Michigan y colaboradora del Observatorio de Neutrinos IceCube en la Antártida. .com. Los axiones neutros más pequeños y los fotones sin carga (ambas partículas teóricas) también son posibles marcadores de posición para la materia oscura. También existe la antimateria, que es diferente de la materia oscura. La antimateria está formada por partículas que son esencialmente iguales a las partículas de materia visible pero que tienen cargas opuestas. Estas partículas se llaman antiprotones y positrones (o antielectrones). Cuando una antipartícula encuentra una partícula, se produce una explosión que hace que las dos sustancias se cancelen entre sí. Dado que vivimos en un universo hecho de materia, obviamente no hay tanta antimateria alrededor; de lo contrario, no habría nada. A diferencia de la materia oscura, los físicos pueden producir antimateria en sus laboratorios. Pero si no podemos ver la materia oscura, ¿cómo sabemos que existe? La respuesta es la gravedad, la fuerza ejercida por un objeto hecho de materia que es proporcional a su masa. Desde la década de 1920, los astrónomos han planteado la hipótesis de que el universo debe contener más materia de la que podemos ver porque la atracción gravitacional que parece estar actuando en el universo es más fuerte de lo que puede explicarse únicamente por la materia visible. Cuando los astrónomos examinaron las galaxias espirales en la década de 1970, esperaban ver material en el centro moviéndose más rápido que en los bordes exteriores. En cambio, descubrieron que las estrellas en ambos lugares viajaban a la misma velocidad, lo que sugiere que la galaxia contenía más masa de la visible. Los estudios del gas dentro de las galaxias elípticas también indican que se requiere más masa que los objetos visibles. Si los cúmulos de galaxias contuvieran la única masa visible mediante mediciones astronómicas convencionales, se separarían. Las diferentes galaxias parecen contener diferentes cantidades de materia oscura. Antes de 2016, un equipo liderado por Van Dokum descubrió una galaxia llamada Dragonfly 44 que parecía estar compuesta casi en su totalidad por materia oscura. Por otro lado, desde 2018, los astrónomos han descubierto varias galaxias que parecen estar completamente desprovistas de materia oscura. La gravedad afecta no sólo a las órbitas de las estrellas en las galaxias, sino también a la trayectoria de la luz. El famoso físico Albert Einstein demostró a principios del siglo XX que los objetos masivos del universo doblan y distorsionan la luz debido a su gravedad. Este fenómeno se llama lentes gravitacionales. Al estudiar cómo los cúmulos de galaxias distorsionan la luz, los astrónomos han podido crear un mapa de la materia oscura en el universo. Hoy en día, la gran mayoría de la comunidad astronómica reconoce la existencia de materia oscura.
Si bien toda la evidencia apunta a la existencia de materia oscura, es posible que tal cosa no exista en absoluto y que sea necesario revisar las leyes de la gravedad que describen el movimiento de los objetos dentro del sistema solar. La materia oscura parece estar distribuida por todo el universo en una red, formando cúmulos de galaxias en los nodos donde se cruzan las fibras. Al demostrar que la gravedad funciona igual dentro y fuera de nuestro sistema solar, los investigadores han proporcionado evidencia adicional de la existencia de materia y energía oscuras. ¿De dónde viene la materia oscura? La materia oscura parece estar distribuida en una red por todo el universo, formando cúmulos de galaxias en los nodos donde se cruzan las fibras. Al verificar que los efectos gravitacionales son los mismos dentro y fuera del sistema solar, los investigadores han proporcionado evidencia adicional de la existencia de materia oscura. (Las cosas son aún más complicadas, porque además de la materia oscura, parece haber energía oscura, la fuerza invisible responsable de la expansión del universo que desafía la gravedad). Pero, ¿de dónde viene la materia oscura? La respuesta obvia es que no lo sabemos. Pero hay algunas teorías. Un estudio publicado en Astrophysical Journal en diciembre de 2021 sugiere que la materia oscura puede estar concentrada en los agujeros negros, que son poderosos portales a la nada que devoran todo lo que se encuentra cerca debido a su extrema gravedad. Por lo tanto, la materia oscura se habría creado en el Big Bang junto con todos los demás componentes básicos del universo que vemos hoy. También se cree que los restos estelares como las enanas blancas y las estrellas de neutrones contienen grandes cantidades de materia oscura, al igual que las llamadas enanas espontáneas, estrellas fallidas que no acumularon suficiente material para iniciar la fusión nuclear. ¿Cómo estudian los científicos la materia oscura? Dado que no podemos ver la materia oscura, ¿podemos realmente estudiarla? Hay dos formas de aprender más sobre esta cosa misteriosa. Los astrónomos estudian la distribución de la materia oscura en el universo observando la acumulación de materia y el movimiento de los objetos en el universo. Los físicos de partículas, por otro lado, buscan detectar las partículas elementales que componen la materia oscura. Un experimento llamado Espectrómetro Magnético Alfa (AMS) instalado en la Estación Espacial Internacional puede detectar antimateria en los rayos cósmicos. Desde 2011, ha sido alcanzado por más de 100 mil millones de rayos cósmicos, lo que proporciona información fascinante sobre la composición de las partículas que viajan a través del universo. "Medimos un exceso de positrones (la contraparte de los electrones en antimateria) que podrían provenir de la materia oscura", dijo a Space.com el científico jefe de AMS, Samuel Ting, premio Nobel del MIT. "Pero por ahora, todavía necesitamos más datos para asegurarnos de que proviene de materia oscura y no de alguna extraña fuente astrofísica. Eso nos llevará algunos años más de operación de regreso a la Tierra, bajo una montaña en Italia, el planeta". LNGS XENON1T busca signos de interacciones WIMP tras colisiones con átomos de xenón. El gran experimento subterráneo de materia oscura de xenón (LUX) en Goldfields en Dakota del Sur también ha estado buscando señales de que los WIMP están interactuando. Pero hasta ahora el instrumento no ha revelado nada misterioso. El Observatorio de Neutrinos IceCube, un experimento enterrado bajo la superficie helada de la Antártida, está buscando hipotéticos neutrinos estériles. Los neutrinos estériles interactúan con la materia normal sólo a través de la gravedad, lo que los convierte en fuertes candidatos para la materia oscura. También se están llevando a cabo experimentos destinados a detectar partículas esquivas de materia oscura en el Potente Colisionador de Partículas de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) en Suiza. Varios telescopios que orbitan la Tierra buscan los efectos de la materia oscura. La nave espacial Planck de la Agencia Espacial Europea, que fue retirada en 2013, trabajó durante cuatro años en el Punto Lagrangiano 2 (un punto en su órbita alrededor del Sol donde la nave espacial mantiene una posición estable con respecto a la Tierra), mapeando el fondo cósmico de microondas. mapa, una reliquia del Big Bang. Esta irregularidad en la distribución del fondo de microondas revela pistas sobre la distribución de la materia oscura. En 2014, el Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi de la NASA trazó un mapa del centro de nuestra Vía Láctea en luz de rayos gamma, revelando un exceso de radiación de rayos gamma que se extendía desde su núcleo.
"La señal que encontramos no puede explicarse por las alternativas propuestas actualmente y es muy consistente con las predicciones de modelos de materia oscura muy simples", dijo a Space.com el autor principal Dan Hooper, astrofísico del Fermilab en Illinois. Los investigadores dijeron que el exceso podría explicarse por la aniquilación de partículas de materia oscura con masas de entre 31 y 40 mil millones de electronvoltios. Los resultados por sí solos no son suficientes para considerarlos evidencia concluyente de la existencia de materia oscura. Se necesitarán datos adicionales de otros proyectos de observación o experimentos de detección directa para verificar la interpretación. También se espera que el telescopio espacial James Webb, que se lanzó el 25 de diciembre de 2021 después de 30 años de desarrollo, ayude en la búsqueda de la esquiva sustancia. Los ojos infrarrojos del Century Telescope pueden ver el comienzo de los tiempos y no pueden ver la materia oscura directamente, pero al observar la evolución de las galaxias desde los primeros días del universo, se espera que proporcione información que antes no era posible.