Un fantasma recorre el universo: el de la materia oscura. ¿Qué es, dónde está? En la década de los 30 del siglo XX, Fritz Zwicky, un astrónomo y físico suizo de origen búlgaro, se dedicó a estudiar el movimiento de las galaxias del gran cúmulo de Coma.

Después de un tiempo se dio cuenta de que, si sumaba la masa de las estrellas y el gas de cada galaxia, la fuerza de gravedad producida por ellos no sería suficiente para impedir que todas las galaxias salieran disparadas de ese gran cúmulo.

Así, Zwicky llegó a la conclusión de que debía de haber algo más que impedía que ocurriera eso. En ese momento llamó oculta a esa materia indeterminada. Esta hipótesis, sin embargo, tuvo poco éxito en la comunidad científica de entonces.

Fue hasta mediados de los 70 cuando la astrónoma estadounidense Vera Rubin estudió el movimiento de las estrellas de la galaxia de Andrómeda y de otras tempranas, y se percató de que sugería, efectivamente, que debía de haber mucha más materia que la visible en los discos de esos objetos.

Como éste fue un estudio sistemático con varias galaxias, la comunidad de expertos no tuvo otra alternativa que tomarlo en serio; sus resultados aún están en verificación.

“Es un hecho que en las galaxias hay más fuerza de gravedad que la que produciría su materia luminosa, si las teorías de Newton y de Einstein son lo que nos enseñaron en la escuela. No obstante, cabe la posibilidad de que estas cambien y expliquen el fenómeno, pero aún no se propone ninguna que pueda modificar, de manera general y autoconsistente, la gravedad para explicarlo sin echar a perder otras cosas”, dijo Octavio Valenzuela Tijerino, investigador del Instituto de Astronomía (IA) de la UNAM.

Por eso, la hipótesis más aceptada es que el modelo de física de partículas puede incluir otras similares a los neutrinos (los cuales no emiten radiación electromagnética, o sea luz), pero que aún no han sido detectadas”, añadió.

Báscula cósmica

Si se cuenta el número de estrellas de una galaxia a partir de la luz emitida, es posible obtener un valor determinado para el peso de uno de estos conjuntos de cuerpos estelares. Así como una persona usa una báscula, se puede recurrir a una especie de balanza cósmica para saber cuánto pesa una.

En el primer caso se establece un equilibrio entre la fuerza representada por los kilogramos del sujeto y la del resorte calibrado dentro del aparato; así, el resultado dependerá de lo registrado por esta pieza elástica doblada en espiral. En cuanto a las estrellas, están en órbita alrededor del centro de su galaxia y la velocidad con que lo hacen compensa la atracción de la gravedad.

De este modo, si se mide qué tan rápido giran, se puede establecer el peso de una de estas colecciones estelares. Cuando los astrónomos aplicaron esta estrategia observaron que los valores en masa eran más grandes que los obtenidos al contar el número de estrellas y la cantidad de gas, indicó Valenzuela Tijerino.

Al principio, esto generó escepticismo en la comunidad astronómica. Con el tiempo, nuevas técnicas de medición, más precisas, arrojaron lo mismo. Entonces, la primera propuesta para explicar este exceso de gravedad en los cúmulos de galaxias —esto es, que en ellos hay partículas que no emiten radiación electromagnética— tuvo que tomarse seriamente. A estas partículas se les denominó materia oscura.

“Aunque esta hipótesis suena poco ortodoxa, sabemos que los neutrinos también se comportan así. Cuando los físicos trataban de entender cómo funcionaba el núcleo del átomo, notaron que había un faltante de energía y propusieron que unas partículas que no emitían luz (y difíciles de detectar) se llevaban esa energía faltante. Dieciséis años después fueron descubiertas y las utilizamos hasta para hacer observaciones astronómicas.”

Podría haber una explicación alternativa: que la Ley de la Gravedad, tal como se conoce en la Tierra, no sea la misma a escalas de galaxias. “Ésta es una propuesta interesante, pero ha resultado más complicada de lo que se pensaba. Puede justificar lo que pasa con algunos objetos en particular, pero no hacerlo con lo que sucede simultáneamente con todos en los que se observa exceso gravitacional”, señaló el investigador.

Esqueleto

La materia oscura es el esqueleto de la estructura a gran escala del universo; asimismo, es la responsable de que las galaxias no estén distribuidas al azar en el espacio y, por lo contrario, integren una especie de red cósmica, con filamentos, nudos y huecos (zonas donde hay menos).

Sin embargo, su papel va más allá, pues cuando el universo era joven, estaba muy caliente por la alta densidad de radiación electromagnética; en ese caso, los átomos de gas, prácticamente hirvientes dentro de una incipiente estructura o protogalaxia, se hubieran evaporado.

“Si sólo hubiera existido la luminosa en el universo joven, no se habrían formado las galaxias; en cambio, la gravedad debida a la presencia de la oscura, que no interactúa con la luz, impidió que los átomos de las protogalaxias se evaporaran y, por lo tanto, que dieran origen a las galaxias.”

Aún más: sus propiedades, que todavía no se conocen, definen cuántas galaxias de determinada masa hay. En particular, las pequeñas tendrían diferentes si estuviera conformada por otro tipo de neutrinos o de partículas más pesadas, como los neutralinos.

“Hoy, los astrónomos hacemos censos de galaxias pequeñas para saber cuántas se mueven alrededor de otras como la nuestra, la Vía Láctea, y así acotar las propiedades de la materia oscura”, añadió Valenzuela Tijerino.

Detección

En todo el mundo —en particular en Estados Unidos, varios países de Europa y Japón— se han puesto en marcha experimentos de detección directa de materia oscura.

Uno de ellos, el DAMA/LIBRA (realizado en el túnel de Gran Sasso, Italia) ya ha arrojado un reporte con una alta señal al ruido, pero la comunidad astronómica tiene dudas de que la misma tecnología de los detectores podría haber producido ese resultado. Experimentos posteriores no han logrado detecciones con la misma calidad.

También se recurre a métodos de detección indirecta. Muchas de las posibles partículas que pueden conformarla constituyen sus propias antipartículas; por esta razón, si dos de éstas llegan a chocar, se aniquilan mutuamente y producen una emisión de rayos gamma.

“El centro de las galaxias o de los cúmulos de las mismas sería donde habría materia oscura más densa y, por lo tanto, donde sería más probable esa aniquilación. De ahí que no pocos astrónomos intenten detectar sus remanentes. Por ejemplo, se sabe que en el centro de la nuestra hay cierta emisión excesiva de rayos gamma; el problema es que otros procesos astrofísicos podrían explicarla. Debemos distinguir entre la emisión de rayos gamma de estrellas compactas y la de materia oscura”.

Una tercera vía para tratar de detectar materia oscura es estudiar qué tan compatibles serían sus posibles propiedades con las de las galaxias; y, de manera inversa, ver si con el estudio de una observable es posible decir de qué está compuesta.

Recientemente, Valenzuela Tijerino —en colaboración con Axel de la Macorra y Miguel Alcubierre, de los institutos de Física y de Ciencias Nucleares, respectivamente; Tonatiuh Matos, del Cinvestav; Jorge Cervantes, del ININ, y Luis Ureña y Gustavo Niz, de la Universidad de Guanajuato— trata de poner a prueba la hipótesis alternativa de que, en lugar de estar conformada por partículas, la materia oscura sea una especie de fluido (campo escalar) donde las galaxias y la estructura a gran escala del universo se comportan como olas.