Hoy, 31 de octubre y Noche de Halloween, celebramos el Día Internacional de la Materia Oscura (Dark Matter Day). El universo es mucho más que estrellas, planetas, asteroides, cometas y polvo espacial. Todavía nos aguardan muchos misterios por descubrir y resolver, y uno de ellos es la materia oscura, un tipo de materia que no podemos ver pero que sabemos que tiene que estar ahí, porque detectamos sus efectos gravitatorios.
Beatriz Gato Rivera, científica titular en el Instituto de Física Fundamental del CSIC (Madrid), nos aclara algunas de las preguntas que más nos hacemos acerca de este misterioso tipo de materia. ¡Feliz #DarkMatterDay2022!
¿Qué es la materia oscura?
En el Universo parece existir mucha más materia que la que se observa (estrellas, galaxias, nubes de gas y polvo,…), a juzgar por los campos gravitatorios que se detectan. Y esto se refiere no solo a las observaciones correspondientes a la luz visible que nos llega de esos objetos sino también a las correspondientes a todo el espectro electromagnético (ondas de radio, infrarrojos, ultravioleta, rayos X, etc). La materia oscura es una propuesta, una hipótesis, para explicar el origen desconocido de esos campos gravitatorios que abundan en el Universo y que se hacen especialmente notorios alrededor de las galaxias espirales así como en los cúmulos de galaxias. Esta propuesta ayuda a resolver, entre otros, los problemas de: las altas velocidades de las galaxias en los cúmulos galácticos, las altas velocidades de rotación de las estrellas en las galaxias espirales, las lentes gravitatorias invisibles y la formación de estructura en el Universo.
¿Por qué no podemos verla?
Porque no emite ninguna radiación electromagnética (o si la emite es tan débil que no la detectamos), ni tampoco la absorbe. Así que este tipo de materia no sería realmente oscura, sería transparente para todas las frecuencias del espectro electromagnético, y a todos los efectos invisible. Por ejemplo, en el caso de las galaxias espirales, los campos gravitatorios detectados pueden interpretarse con bastante exactitud suponiendo que hay un tipo de materia que no emite ni absorbe ninguna radiación electromagnética y que forma halos esféricos alrededor de las galaxias, halos enormes de diámetro mucho mayor que el de los discos visibles de estas.
¿Cuál es el porcentaje de la materia oscura en relación a la materia ordinaria?
La materia oscura contribuye el 85% a la materia total del universo y el 26,4% a su densidad de energía, mientras que la materia ordinaria contribuye un 15% a la materia total del universo y un 4,9% a su densidad de energía. Así que la materia oscura sería casi seis veces más abundante que la materia ordinaria.
¿Se tienen candidatos a formar materia oscura?
No solo se tienen candidatos sino que también se conoce la naturaleza de dos pequeñas contribuciones a la materia oscura. Una es la contribución de los neutrinos y antineutrinos, que no llega al 1,5% del total de materia oscura y se denomina “materia oscura caliente”. La otra está formada por cuerpos astronómicos que emiten una radiación tan débil que no podemos detectarlos. Son planetas, asteroides, estrellas de neutrones, enanas marrones, agujeros negros pequeños, etc. Esta contribución se denomina “materia oscura bariónica” y no representa más de una pequeña fracción del total.
Lo que no se conoce es la naturaleza de la mayor parte de la materia oscura, de más del 90% de la misma. Se consideran muchos candidatos que pudieran contribuir a esta, como varias partículas hipotéticas que abundan en la Física de Partículas (neutralinos, axiones, partículas de Kaluza-Klein,…), y que aún no han podido detectarse a pesar de los experimentos que se llevan realizando en su búsqueda desde hace bastantes años, tanto en la superficie terrestre (túneles y laboratorios subterráneos) como en el espacio. También son candidatos los monopolos, las cuerdas cósmicas, y los agujeros negros primordiales, que se formaron al comienzo del universo, entre otros.
Pero incluso se propone la posibilidad de que la materia oscura sea materia de otros universos cercanos, a través de una cuarta dimensión del espacio. La idea es que existe una dimensión extra del espacio y a lo largo de ella habría otros universos. La materia de cada universo estaría confinada en las tres dimensiones que conocemos, pero la gravitación se propagaría a través de la dimensión extra, de manera que cada universo notaría los campos gravitatorios de los otros universos cercanos. Por este motivo, no sería posible detectar experimentalmente esta materia, pues estaría localizada en otros universos, no en el nuestro.
También hay que decir que, según varios grupos de investigación, la necesidad de materia oscura podría indicar que la Relatividad General no es una buena teoría de la gravitación a grandes distancias, por lo que estos grupos estudian teorías de gravitación alternativas que no necesitan la hipótesis de la materia oscura.
¿Tiene alguna relación la materia oscura con la antimateria?
No, ninguna. La antimateria puede verse como “el reverso” de la materia ordinaria pues todas las partículas de materia tienen una antipartícula con la misma masa, el mismo espín (parecido a una rotación interna) y la misma vida media, pero valores opuestos de todas las demás propiedades: la carga eléctrica, la carga fuerte (llamada color), la carga débil, la helicidad, el número bariónico, el numero leptónico, etc.
Por otra parte, la antimateria es muy escasa. Se cree que contribuye menos del 0,00001% a la materia total del Universo y a su densidad de energía. Así que, no solo no tienen ninguna relación, sino que además, la materia oscura contribuye el 85% a la materia total del Universo, y la antimateria contribuye menos del 0,00001%. ¡Menuda diferencia!
La antimateria se descubrió en 1932, mientras se estudiaba la radiación cósmica, y se conoce muy bien e incluso se usa en nuestra sociedad: en la industria, en investigación en el área de Ciencia y Tecnología de Materiales, y también en los hospitales, pues es la base de la técnica de imagen “Tomografía por Emisión de Positrones”, PET, en donde los positrones son anti-electrones.
