Universo: El misterio de la materia oscura

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Algo está sucediendo en el universo y no somos capaces de explicarlo del todo. A más de 3 mil millones de años luz de la Tierra, 2 cúmulos de galaxias están colisionando. Las estrellas en cada uno se ven poco afectadas, pero las nubes de gas caliente que emiten rayos X están chocando unas contra otras, convirtiendo los 2 cúmulos en uno solo: el Cúmulo Bala, uno de los eventos más energéticos en el cosmos. En medio de esta épica colisión ronda algo misterioso, algo para lo cual el único nombre que tenemos es “materia oscura“. Dentro del Cúmulo Bala podemos ver las galaxias y el gas que, de hecho, constituye la mayor parte de la masa que emite luz (más todavía que las galaxias). Pero existe un componente completamente invisible -la materia oscura- aunque su presencia sea quizás la más crucial.

El nombre de materia oscura implica que esta misteriosa sustancia es oscura, pero más que eso, es invisible, ya que no absorbe ni emite ninguna forma de luz o de radiación que pueda revelar su existencia. Atraviesa la materia ordinaria; no se puede oler, degustar, tocar o ver. Lo que si sabemos es que constituye alrededor del 27% de toda la masa y energía del universo y que seguramente está compuesta por algún tipo de partícula subatómica no descubierta todavía.

“Sabemos poco de ella, y las numerosas búsquedas de las partículas de materia oscura han servido únicamente para descartar varias hipótesis, pero no ha habido ninguna detección concreta.” Expresa el astrofísico Maxim Markevitch, quien ha estudiado cuidadosamente el efecto de la materia oscura en el Cúmulo Bala utilizando el Observatorio de rayos X, Chandra, de la NASA.

Sin embargo, hay una manera en que la materia oscura atrapa nuestra atención: a través de la fuerza de gravedad, uno de los efectos que es claramente visible en el Cúmulo Bala. Esto es lo que ha permitido a los astrónomos deducir la ubicación de la materia oscura en este cúmulo, sin importar que sea invisible.

La teoría de la relatividad general de Einstein describe cómo la masa puede curvar el espacio. Hay personas que gustan de utilizar la analogía de una bala de cañón sobre una sábana elástica de hule: la bala hace que la superficie se deforme. Si imaginas que una galaxia o estrella es la bala y el espacio es la sábana de hule, entonces podrás visualizar cómo la masa curva el espacio.

La luz prefiere trayectorias rectas para viajar a través del universo. Entonces, ¿Qué sucede si llega a una región curvada del espacio? La luz seguirá el camino curvo y torcerá su trayectoria. De este modo, un objeto masivo en el espacio puede actuar como una lente, torciendo y amplificando la luz. Este efecto fue predicho por Eisntein hace casi cien años y lo llamamos lente gravitacional.

Debido a que los cúmulos de galaxias son muy grandes, crean enormes lentes gravitacionales y pueden ampliar la luz proveniente de galaxias muy lejanas, pero no es una imagen clara: lo que se ve son arcos distorsionados, manchas de luz y, en ocasiones, un anillo completo. Podemos observar que el Cúmulo Bala se comporta como una lente gravitacional, pues amplifica la luz de galaxias distantes. Pero, cuando los científicos analizaron esta lente gravitacional, hallaron algo impresionante: el efecto de magnificación era mucho mayor del que podía producir toda la masa de las galaxias y el gas del cúmulo, de modo que debía existir otro tipo de masa escondida: materia oscura. Del patrón generado por la lente es posible deducir dónde se ubica la materia oscura en los cúmulos, lo que condujo a un descubrimiento nuevo: cuando los cúmulos colisionan, las galaxias y el gas comienzan a mezclarse, pero la materia oscura que rodea a cada cúmulo sólo se desliza silenciosamente sin interactuar con nada en absoluto.

El Cúmulo Bala no es el único en el que hemos visto los efectos de la materia oscura. El primer descubrimiento se hizo en 1933, cuando el famoso astrónomo Fritz Zwicky, del Instituto Tecnológico de California, notó que las galaxias que orbitaban en la parte externa de un cúmulo de galaxias se movían más rápido de lo que debían.

¿Por qué debían moverse a una vel0cidad específica? En el siglo 17, Johannes Kepler formuló sus leyes del movimiento orbital, la tercera de ellas afirma que “el periodo orbital al cuadrado es directamente proporcional al semieje mayor de la órbita, al cubo”. En otras palabras, mientras más lejos del Sol, y por lo más lento, del centro de masa del Sistema Solar, más lento se desplaza un planeta en su órbita. Esto debe cumplirse también para las galaxias que forman cúmulos. Sin embargo, Zwicky encontró que las galaxias cuyas órbitas están ubicadas en las partes externas de un cúmulo orbitan a la misma velocidad que las que están ubicadas cerca del centro. Esto significa que debe haber cierta cantidad de masa invisible en el cúmulo, cuya gravedad ayude a acelerar el movimiento de las galaxias más externas, y la llamó materia oscura, pero su idea fue ignorada por la comunidad científica. Fue en los años setenta cuando la astrónoma Vera Rubin, del Instituto Carnegie de Ciencias, notó el mismo problema con las órbitas de las estrellas y el gas cerca de los bordes de las galaxias. Esta vez el problema no fue ignorado y hasta el día de hoy la materia oscura es uno de los mayores misterios de la cosmología. De hecho, actualmente forma parte integral de los modelos de crecimiento de las galaxias: ahora las visualizamos envueltas en halos de materia oscura, misma que se esparce por el universo formando una especie de gran tejido que atrae a la materia ordinaria y hace que los cúmulos y las galaxias se expandan.

El Cúmulo Bala es el que posee la mejor evidencia de materia oscura. Los astrónomos y físicos de partículas que intentan arrojar luz sobre la naturaleza de esta sustancia están realizando nuevos experimentos para tratar de capturarla y que finalmente podamos averiguar qué es. Aunque la evidencia astronómica sugiere que a gran escala la materia oscura no interactúa con la materia ordinaria, los físicos sospechan que a muy pequeña escala, como la de las partículas individuales, a veces ocurren interacciones. Debe haber billones de partículas pasando a través de nosotros en todo momento, pero las interacciones son tan raras que quizás los científicos tengan que esperar años para observar una. Los físicos llaman a estas partículas de materia oscura WIMP (partículas masivas que interactúan débilmente).

Con el objetivo de atrapar una partícula de materia oscura, la mayoría de los experimentos se realizan bajo tierra, lejos de la superficie donde los rayos cósmicos pueden contaminar los resultados. Los experimentos, como el del proyecto de Investigación Criogénica de Materia Oscura, que se encuentra ubicado en el interior de una mina en Minnesota, Estados Unidos, utiliza detectores que están enfriados a apenas una milésimas arriba del cero absoluto. Estos detectores rastrean el calor producido cuando una WIMP interactúa con un átomo de un elemento llamado germanio. El gran experimento subterráneo de xenón (LUX), está ubicado 1.6 kilómetros por debajo de las Colinas Negras de Dakota del Sur, también en Estados Unidos. LUX contiene tanques llenos de xenón líquidos que se espera interactúe con las WIMP, dado que estas interacciones producirían una radiación particular que es detectable.

La cacería de materia oscura también se lleva a cabo en el espacio. En raras ocasiones, las partículas de materia oscura pueden chocar entre sí y aniquilarse, liberando una partícula de antimateria llamada positrón (antipartícula del electrón, que tiene carga negativa). Pero, debido a que existe tanta materia oscura en el espacio y a que es particularmente densa cerca del centro de la galaxia, debería existir una corriente continua de positrones. Ahora hay un dispositivo a bordo de la Estación Espacial Internacional, llamado Espectrómetro Magnético Alfa, que, de hecho, parece haber detectado ya algunos de estos positrones.

Ciertos astrónomos piensan que no deberíamos buscar materia oscura, pues dudan de su existencia. Preocupados por el hecho de que la teoría de la materia oscura agrega más complejidad de la necesaria al universo, estos científicos sostienen que los efectos gravitacionales que dieron origen a la teoría de la materia oscura debieran explicarse simplemente ajustando la teoría de la gravedad. Como resultado, la teoría de la materia oscura tiene ahora una teoría rival llamada “Dinámica Newtoniana Modificada”. La pregunta es ¿La teoría de la materia oscura será invalidada o verificada? A medida que pasa el tiempo, las oportunidades de hacer experimentos para detectar la materia oscura aumentan, de modo que quizás sea verificada en un futuro cercano.

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