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Alguna vez te has preguntado si todo lo que podemos ver en el Universo con nuestros ojos ¿es “todo”? ¿Habrá algo más? Puede que este tipo de preguntas parezca del tipo existencial, sin embargo, es una de las preguntas más importantes para los físicos que estudian el Universo.  Gracias a observaciones astronómicas, está confirmado que el Universo tiene dos principales componentes: Energía oscura y materia. A pesar de que la energía oscura conforma el 68.3% de nuestro universo, sigue siendo un gran misterio para los científicos.

Figura 1. Distribución de la materia en el Universo. Créditos: La Roñosa

La materia del Universo abarca poco más del 30% y existe en dos tipos. El primer tipo de materia se conoce como materia bariónica o materia normal. Está conformada de todo lo que brilla y podemos ver: Galaxias, estrellas, planetas, polvo cósmico, etc. Cuando miramos hacia el Universo, podemos observar millones y millones de galaxias, sin embargo, aunque suene impresionante, todo esto corresponde tan solo al 4.9% del total (Figura 1). ¡Esto quiere decir que realmente no sabemos nada de nuestro universo! El resto de la materia se conforma por el segundo tipo, conocido como materia no bariónica: Materia oscura.  Este tipo de materia es la más abundante, siendo el 26.8% del total. Sin embargo, no interactúa (o muy rara vez interactúa) con la materia normal. La materia oscura es invisible a nuestros ojos, de ahí su nombre, por lo que hace el estudio de sus propiedades y su detección una tarea muy difícil de realizar.  

Si la materia oscura no interactúa con la materia ordinaria y no la podemos ver, ¿cómo sabemos que existe? Esta es la pregunta más común al hablar de materia oscura.  Y la respuesta recae en las observaciones astronómicas. Grandes astrofísicos y astrónomos concluyeron que, además de toda la materia visible en el Universo, debía existir una componente invisible que afectaba el movimiento de las estrellas y las galaxias. No solo eso, sino que afecta la trayectoria de la luz, cuando esta pasa por regiones del Universo con altas densidades de materia oscura.

La primera evidencia de materia oscura fue proporcionada por el astrofísico Fritz Zwicky en 1933. Zwicky calculó la masa total del cúmulo de galaxias Coma, mediante observaciones del movimiento de las galaxias. Después, calculó la masa total del mismo cúmulo de galaxias, pero esta vez lo hizo mediante la luminosidad. Es decir, determinó la masa de todo lo que brillaba y podía ver a través de su telescopio. Cuando comparó ambos resultados, se dio cuenta que toda la masa de la materia que podía ver no era suficiente para explicar el movimiento de las galaxias en el cúmulo. Debía existir una masa proveniente de algo que evidentemente era invisible: “materia no visible” que era 400 veces más abundante que la materia visible. 

Figura 2. Curva de rotación de las galaxias en función del radio. Créditos: La Roñosa

A finales de los 60s la astrónoma Vera Rubin y Albert Bosma realizaron mediciones de la velocidad de las estrellas alrededor del centro galáctico. Lo que Vera y Albert observaron fue algo sorprendente: ¡Todas las estrellas, lejanas y cercanas al centro galáctico, rotaban con la misma velocidad! Esto no tenía sentido, ya que la física de Newton establece que la velocidad de rotación alrededor del centro galáctico es inversamente proporcional a la distancia al centro. En otras palabras, las estrellas más cercanas al centro galáctico deberían rotar con mayor velocidad que las estrellas más lejanas. Esto llevó a la conclusión de que en las galaxias había más masa de la que podían observar. En la Figura 2, podemos observar la curva de rotación de las galaxias en función del radio. Como puedes observar, la curva amarilla indica lo que se esperaría con la física de Newton y la masa de las estrellas. La curva roja es una caricatura de lo que Vera y Albert observaron y midieron. La gráfica real de las mediciones la puedes encontrar en Rubin, V. C., & Ford, W. K. (1970) y Bosma, A. (1981). Muchas otras evidencias sobre la existencia de la materia oscura fueron surgiendo con el paso de los años, todas ellas de origen gravitacional. Puedes leer más detalles en Dark matter.

¿Será entonces que la fuerza gravitacional es la única forma de interacción de la materia oscura? Y la respuesta es: Aún no lo sabemos. Todos los experimentos que se encuentran en la búsqueda de esta materia tan misteriosa, asumen que la partícula de materia oscura interactúa, muy rara vez, con la materia normal. Sin embargo, se espera que esta interacción sea extremadamente débil. Por ejemplo, en experimentos de detección directa, la materia oscura pasa a través de un sensor hecho de algún elemento pesado. La interacción de materia oscura con el núcleo atómico, generará un aumento de temperatura en los sensores. Estos experimentos deben correr por años para quizás observar unas pocas interacciones. En los experimentos de detección indirecta, se espera que la materia oscura se aniquile, o se desintegre, creando partículas de materia normal que después pueden ser observadas por telescopios terrestres. Finalmente, en experimentos como el CERN se espera observar la materia oscura como el producto de las colisiones de núcleos pesados. Para leer a más detalle sobre los experimentos actuales visita C. Tao (2020)

Todos y cada uno de los experimentos, consideran que la interacción de materia oscura con materia normal está mediada por una partícula, diferente a la materia oscura, desconocida. A estas partículas típicamente se les llama mediadores, ya que son las encargadas del intercambio de fuerzas; un ejemplo de mediador es el fotón, encargado de mediar la fuerza electromagnética.  Otro parámetro físico importante y desconocido de la materia oscura es el acoplamiento. Este establece la magnitud de la fuerza con la que la materia oscura interactúa con otras partículas. Un ejemplo de acoplamiento que conocemos muy bien, es la carga del electrón que indica la magnitud de la fuerza electromagnética.  Además del acoplamiento y el mediador, los experimentos están en la tarea de establecer la masa que posee la partícula de materia oscura, aunque ninguno con gran éxito. Hasta ahora, poco se sabe de la materia oscura, sin embargo, el desarrollo de nuevas tecnologías nos permite acercarnos cada vez más a la primera imagen de la (¡o las!) partícula que conforma esta materia tan misteriosa.

¿Quieres saber más?

Zwicky, F. (1937), “On the Masses of Nebulae and of Clusters of Nebulae”, The Astrophysical Journal, 86: 217.

Rubin, V. C., & Ford, W. K. (1970), “Rotation of the Andromeda Nebula from a Spectroscopic Survey of Emission Regions”, The Astrophysical Journal, 159: 379.

Bosma, A. (1981), “21-cm line studies of spiral galaxies. II. The distribution and kinematics of neutral hydrogen in spiral galaxies of various morphological types”, The Astronomical Journal, 86: 1825–1846.

Dark matter

C. Tao (2020), “Dark Matter searches: an overview”, ​​JINST , 15: C06054.

  • Artículos
La Roñosa Contributor
Colaboradora en La BioZona

Soy originaria de Nogales, Sonora. Me mudé a Hermosillo Sonora a los 6 años de edad y viví ahí hasta mis 25 años. Estudié la licenciatura en física en la Universidad de Sonora donde también hice mi maestría en física  de partículas. En el año 2016 fui aceptada en la Universidad de Durham en el noreste de Inglaterra, donde realicé mi doctorado en el Instituto de Fenomenología de Física de Partículas (IPPP). Mi línea de investigación cae en la física de partículas, la astrofísica  y la cosmología. Inicialmente no tenía interés en la física del universo, pero poco a poco me di cuenta de lo maravillosa y hermosa que es. Concluí mis estudios  de doctorado en febrero del 2021.

Desde niña me fascinó la idea de poder explicar todo lo que nos rodea a través de las matemáticas. Es por ello que siempre me incline al estudio de la física. Nunca me imaginé que esto me brindaría experiencias extraordinarias y me llevaría  a conocer lugares del mundo que ni siquiera sabía que existían. Soy una persona muy tímida y la verdad me da miedo casi todo, pero  igual me lo aguanto.

Actualmente, estoy haciendo un postdoc en la Universidad de Tokyo donde llevo casi un año. Planeo realizar otro postdoc más, ya que mi ambición es quedarme en el mundo de la academia y la investigación.

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