Las 11 mayores preguntas sin respuesta sobre la materia oscura
En la década de 1930, un astrónomo suizo llamado Fritz Zwicky observó que las galaxias de un cúmulo distante se orbitaban entre sí mucho más rápido de lo que debería haber sido dada la cantidad de masa visible que tenían. Propuso que una sustancia invisible, que él llamó materia oscura, podría estar tirando gravitacionalmente de estas galaxias.
Desde entonces, los investigadores han confirmado que este misterioso material puede encontrarse en todo el cosmos, y que es seis veces más abundante que la materia normal que compone las cosas ordinarias como las estrellas y las personas.
Sin embargo, a pesar de ver la materia oscura en todo el universo, los científicos siguen rascándose la cabeza con ella. Aquí están las 11 mayores preguntas sin respuesta sobre la materia oscura.
¿Qué es la materia oscura?
En primer lugar, y quizás lo más desconcertante, los investigadores siguen sin estar seguros de qué es exactamente la materia oscura. Originalmente, algunos científicos conjeturaron que la masa que faltaba en el universo estaba compuesta por pequeñas estrellas débiles y agujeros negros, aunque las observaciones detalladas no han revelado ni de cerca tales objetos como para explicar la influencia de la materia oscura, como el físico Don Lincoln del Fermilab del Departamento de Energía de los Estados Unidos escribió previamente.
El principal contendiente actual por el manto de la materia oscura es una hipotética partícula llamada partícula masiva de interacción débil, o WIMP, que se comportaría como un neutrón, excepto que sería entre 10 y 100 veces más pesada que un protón, como escribió Lincoln. Sin embargo, esta conjetura sólo ha llevado a más preguntas, por ejemplo…
¿Podemos detectar la materia oscura?
Si la materia oscura está hecha de WIMPs, deberían estar a nuestro alrededor, invisibles y apenas detectables. Entonces, ¿por qué no hemos encontrado ninguno todavía? Aunque no interactuarían mucho con la materia ordinaria, siempre hay una ligera posibilidad de que una partícula de materia oscura pueda golpear una partícula normal como un protón o un electrón mientras viaja por el espacio.
Por lo tanto, los investigadores han construido experimento tras experimento para estudiar un gran número de partículas ordinarias en las profundidades del subsuelo, donde están protegidas de la radiación que interfiere y que podría imitar una colisión entre partículas de materia oscura. ¿Cuál es el problema?
Después de décadas de búsqueda, ninguno de estos detectores ha hecho un descubrimiento creíble. A principios de este año, el experimento chino PandaX informó de la última no detección del WIMP. Parece probable que las partículas de materia oscura son mucho más pequeñas que los WIMPs, o carecen de las propiedades que las harían fáciles de estudiar, dijo el físico Hai-Bo Yu de la Universidad de California, Riverside.
¿La materia oscura consiste en más de una partícula?
La materia ordinaria está compuesta de partículas cotidianas como protones y electrones, así como todo un zoológico de partículas más exóticas como neutrinos, muones y piones. Así que algunos investigadores se han preguntado si la materia oscura, que constituye el 85 por ciento de la materia del universo, también podría ser igual de complicada. «No hay ninguna buena razón para asumir que toda la materia oscura en el universo está construida a partir de un tipo de partícula», dijo el físico Andrey Katz de la Universidad de Harvard a Space.com.
Los protones oscuros podrían combinarse con electrones oscuros para formar átomos oscuros, produciendo configuraciones tan diversas e interesantes como las que se encuentran en el mundo visible, dijo Katz. Mientras que tales propuestas han sido cada vez más imaginadas en los laboratorios de física, el encontrar una manera de confirmarlas o negarlas ha eludido hasta ahora a los científicos.
¿Existen fuerzas oscuras?
Junto con las partículas adicionales de materia oscura, existe la posibilidad de que la materia oscura experimente fuerzas análogas a las que siente la materia regular. Algunos investigadores han buscado «fotones oscuros», que serían como los fotones intercambiados entre las partículas normales que dan lugar a la fuerza electromagnética, excepto que sólo los sentirían las partículas de materia oscura.
Los físicos en Italia se están preparando para romper un haz de electrones y sus antipartículas, conocidas como positrones, en un diamante. Si los fotones oscuros existen, los pares electrón-positrón podrían aniquilarse y producir una de las extrañas partículas portadoras de fuerza, abriendo potencialmente un nuevo sector del universo.
¿Podría la materia oscura estar hecha de axiones?
A medida que los físicos se desilusionan cada vez más de los WIMP, otras partículas de materia oscura empiezan a ganar terreno. Uno de los principales reemplazos es una hipotética partícula conocida como axión, que sería extremadamente ligera, quizás tan sólo 10 elevada a la 31ª potencia menos masiva que un protón.
Los axiones se están buscando ahora en unos pocos experimentos. Recientes simulaciones informáticas han planteado la posibilidad de que estos axiones puedan formar objetos similares a estrellas, que podrían producir una radiación detectable que sería bastante similar a los misteriosos fenómenos conocidos como estallidos de radio rápidos.
¿Cuáles son las propiedades de la materia oscura?
Los astrónomos descubrieron la materia oscura a través de sus interacciones gravitatorias con la materia ordinaria, sugiriendo que esta es su principal forma de hacer conocer su presencia en el universo. Pero cuando se trata de entender la verdadera naturaleza de la materia oscura, los investigadores tienen muy poco para seguir adelante.
Según algunas teorías, las partículas de materia oscura deberían ser sus propias antipartículas, lo que significa que dos partículas de materia oscura se aniquilarían entre sí cuando se encuentren. El experimento del Espectrómetro Magnético Alfa (AMS) en la Estación Espacial Internacional ha estado buscando los signos reveladores de esta aniquilación desde el 2011 y ya ha detectado cientos de miles de eventos. Los científicos todavía no están seguros de si estos vienen de la materia oscura, y la señal todavía tiene que ayudarles a determinar exactamente qué es la materia oscura.
¿Existe la materia oscura en todas las galaxias?
Debido a que supera masivamente a la materia ordinaria, se suele decir que la materia oscura es la fuerza controladora que organiza grandes estructuras como galaxias y cúmulos galácticos. Así que, fue extraño cuando, a principios de este año, los astrónomos anunciaron que habían encontrado una galaxia llamada NGC 1052-DF2 que parecía no contener casi nada de materia oscura.
«La materia oscura aparentemente no es un requisito para formar una galaxia», dijo Pieter van Dokkum de la Universidad de Yale a Space.com en ese momento.
Sin embargo, durante el verano, un equipo separado publicó un análisis que sugería que el equipo de van Dokkum había medido mal la distancia a la galaxia, lo que significaba que su materia visible era mucho más tenue y clara que los primeros hallazgos y que más de su masa estaba en la materia oscura de lo que se había sugerido anteriormente.
¿Qué pasa con los resultados de DAMA/LIBRA?
Un misterio de larga data en la física de partículas son los desconcertantes resultados de un experimento europeo conocido como DAMA/LIBRA. Este detector – ubicado en una mina subterránea debajo de la montaña Gran Sasso en Italia – ha estado buscando una oscilación periódica en las partículas de materia oscura.
Esta oscilación debería surgir a medida que la Tierra se mueve en su órbita alrededor del sol mientras vuela a través de la corriente galáctica de materia oscura que rodea nuestro sistema solar, a veces llamada viento de materia oscura. Desde 1997, DAMA/LIBRA ha afirmado ver exactamente esta señal, aunque ningún otro experimento ha visto nada como esto.
¿Podría la materia oscura tener una carga eléctrica?
Una señal del principio del tiempo ha llevado a algunos físicos a sugerir que la materia oscura podría tener una carga eléctrica. La radiación con una longitud de onda de 21 centímetros fue emitida por las estrellas en la infancia del universo, sólo 180 millones de años después del Big Bang.
Luego fue absorbida por el frío hidrógeno que estaba por ahí al mismo tiempo. Cuando esta radiación fue detectada en febrero de este año, su firma sugirió que el hidrógeno era mucho más frío de lo que los científicos habían predicho. El astrofísico Julian Muñoz de la Universidad de Harvard hipotetizó que la materia oscura con una carga eléctrica podría haber alejado el calor del hidrógeno omnipresente, como los cubitos de hielo que flotan en la limonada. Pero la conjetura aún no ha sido confirmada.
¿Pueden las partículas ordinarias descomponerse en materia oscura?
Los neutrones son partículas de materia regular con una vida útil limitada. Después de unos 14,5 minutos, un neutrón solitario desamarrado de un átomo se descompondrá en un protón, un electrón y un neutrino.
Pero dos configuraciones experimentales diferentes dan tiempos de vida ligeramente diferentes para este decaimiento, con una discrepancia entre ellas de unos 9 segundos, según los experimentos citados en un estudio de julio en la revista Physical Review Letters. A principios de este año, los físicos sugirieron que si el 1 por ciento del tiempo, algunos neutrones se descomponían en partículas de materia oscura, esto podría explicar esta anomalía.
Christopher Morris del Laboratorio Nacional de Los Álamos, en Nuevo México, y su equipo monitorearon los neutrones en busca de una señal que podría ser materia oscura pero no pudieron detectar nada. Sugirieron que otros escenarios de decadencia aún podrían ser posibles, según el estudio.
¿Existe realmente la materia oscura?
Dadas las dificultades que los científicos han enfrentado al tratar de detectar y explicar la materia oscura, un interrogador razonable podría preguntarse si están haciendo todo mal. Durante muchos años, una minoría vocal de físicos ha impulsado la idea de que quizás nuestras teorías de la gravedad son simplemente incorrectas, y que la fuerza fundamental funciona de manera diferente a grandes escalas de lo que esperamos.
A menudo conocidas como «dinámica newtoniana modificada», o modelos MOND, estas sugerencias plantean que no hay materia oscura y que las velocidades ultrarrápidas a las que se ve que las estrellas y las galaxias giran unas alrededor de otras es una consecuencia de que la gravedad se comporta de maneras sorprendentes. «La materia oscura es todavía un modelo no confirmado», escribió el físico Don Lincoln en una explicación para Live Science.
Sin embargo, los detractores aún tienen que convencer al gran campo de sus ideas. ¿Y las últimas pruebas? También sugiere que la materia oscura es real.
