Materia oscura, por su propia naturaleza, es invisible. No podemos observarlo con telescopios, y los físicos de partículas tampoco han tenido suerte en detectarlo mediante experimentos.

Entonces, ¿por qué yo y miles de mis colegas creemos que la mayor parte de la masa del universo está compuesta de materia oscura? en lugar de la materia convencional que comprende las estrellas, planetas y todos los demás objetos visibles en nuestros cielos?

Para responder a esa pregunta, debe apreciar lo que la materia oscura puede y no puede hacer, comprender en qué parte del universo acecha, y darse cuenta de que "oscuro" es solo el comienzo del rompecabezas.

Influencia invisible

Nuestra historia de materia oscura comienza con la velocidad y la gravedad. En todo el cosmos vemos objetos que viajan en órbitas bajo la influencia de la gravedad. Así como la Tierra orbita alrededor del Sol, el Sol orbita el centro de nuestra galaxia.

La velocidad requerida para mantener un cuerpo celeste en órbita es función de la masa y la distancia. Por ejemplo, en nuestro Sistema Solar, La Tierra se mueve a 30 km por segundo, mientras que los planetas más distantes se demoran a varios kilómetros por segundo.

Nuestra galaxia es increíblemente masiva por lo que el Sol orbita a 230 km por segundo a pesar de tener 26, A 700 años luz del centro de nuestra galaxia. Sin embargo, a medida que nos alejamos del centro de la galaxia, las velocidades orbitales de las estrellas se mantienen aproximadamente constantes. ¿Por qué?

A diferencia de nuestro Sistema Solar, cuya masa está dominada por el sol, La masa de nuestra galaxia se extiende a lo largo de miles de años luz. A medida que uno se mueve a distancias mayores desde el centro galáctico, las estrellas y el gas encerrados dentro de este radio aumentan. ¿Puede esta masa adicional explicar las vastas velocidades de las estrellas más distantes de nuestra galaxia? No exactamente.

En los años 1960, la pionera astrónoma estadounidense Vera Rubin midió las velocidades orbitales en la galaxia de Andrómeda (la galaxia próxima a la Vía Láctea) a distancias de 70, 000 años luz del núcleo de esa galaxia. Notablemente, a pesar de que esta distancia está mucho más allá de la masa de las estrellas y el gas de Andrómeda, la velocidad orbital se mantuvo cerca de los 250 km / s.

Este fenómeno tampoco es exclusivo de galaxias individuales. En la década de 1930, El astrónomo suizo-estadounidense Fritz Zwicky descubrió que las galaxias que orbitan dentro de los cúmulos de galaxias se mueven mucho más rápido de lo esperado.

¿Qué pasa? Una posibilidad es que una gran cantidad de masa invisible se extienda más allá de las estrellas y el gas. Ésta es materia oscura.

En efecto, el trabajo de Zwicky, Rubin y las generaciones posteriores de astrónomos indican que hay más materia oscura en el universo que materia convencional. (En cuanto a la energía oscura, esa es otra historia.)

Notablemente, nuestra incapacidad para ver o detectar la materia oscura proporciona pistas sobre cómo se comporta. Debe tener pocas interacciones consigo mismo y con la materia convencional, aparte de la fuerza de la gravedad; de lo contrario, lo habríamos detectado emitiendo luz e interactuando con otras partículas.

Como la materia oscura interactúa principalmente a través de la gravedad, tiene algunas propiedades curiosas. Una nube de gas caliente en el espacio puede perder energía al emitir luz, y así enfriar. Una nube de gas suficientemente masiva y fría puede colapsar bajo su propia gravedad para formar estrellas.

Por el contrario, la materia oscura no puede perder energía emitiendo luz. Por lo tanto, mientras que la materia convencional puede colapsar en objetos densos como estrellas y planetas, la materia oscura permanece más difusa.

Esto explica una aparente contradicción. Si bien la materia oscura puede dominar la masa del universo, no creemos que haya mucho en nuestro Sistema Solar.

Éxito de la simulación

Como el movimiento de la materia oscura está dominado únicamente por la gravedad, también es comparativamente fácil de modelar analíticamente y en simulaciones.

Desde la década de 1970 hemos tenido fórmulas para el número de estructuras de materia oscura, que también predice el número de galaxias masivas y cúmulos de galaxias. Es más, las simulaciones pueden modelar la formación de estructuras a través de la historia del universo. El paradigma de la materia oscura no solo se ajusta a los datos, tiene poder predictivo.

¿Existe una alternativa a la materia oscura? Inferimos su presencia usando la gravedad, pero ¿y si nuestra comprensión de la gravedad es incorrecta? Quizás la gravedad sea más fuerte a grandes distancias de lo que pensamos.

Hay varias teorías alternativas de la gravedad, siendo la dinámica newtoniana modificada (MoND) de Mordehai Milgrom el ejemplo más conocido.

¿Cómo distinguimos la materia oscura de la gravedad modificada? Bien, en la mayoría de las teorías, la gravedad tira hacia la masa. Por lo tanto, si no hay materia oscura, la gravedad tira hacia la materia convencional, mientras que si domina la materia oscura, la gravedad atraerá predominantemente hacia la materia oscura.

Por lo tanto, debería ser fácil saber qué teoría es la correcta, ¿Derecha? No exactamente, ya que la materia oscura y la materia convencional se suceden aproximadamente entre sí. Pero hay algunas excepciones útiles.

Rompe nubes de gas y materia oscura juntas y sucede algo maravilloso. El gas choca para formar una sola nube, mientras que las partículas de materia oscura siguen moviéndose bajo la influencia de la gravedad. Esto sucede cuando los cúmulos de galaxias chocan entre sí a grandes velocidades.

¿Cómo medimos la atracción de la gravedad en cúmulos de galaxias en colisión? Bien, la gravedad no solo atrae la masa sino también la luz, imágenes tan distorsionadas de galaxias pueden rastrear la atracción gravitacional. Y en cúmulos de galaxias en colisión, la gravedad tira hacia donde debería estar la materia oscura, no hacia la materia convencional.

Ondulaciones en el tiempo

Podemos ver la influencia de la materia oscura no solo hoy sino en el pasado distante, de regreso al Big Bang.

El fondo cósmico de microondas, el resplandor del Big Bang, se puede ver en todas las direcciones. Y en esta bola de fuego podemos ver ondas el resultado de ondas sonoras que viajan a través de gas ionizado.

Estas ondas sonoras son el resultado de la interacción de la gravedad, presión y temperatura en el universo temprano. La materia oscura contribuye a la gravedad, pero no responde a la temperatura y la presión como la materia convencional, por lo que la fuerza de las ondas sonoras depende de la proporción de materia convencional a materia oscura.

Como se esperaba, Las mediciones de estas ondas tomadas por satélites y observatorios terrestres revelan que hay más materia oscura que materia convencional en nuestro universo.

Entonces, ¿el caso está cerrado? ¿Es la materia oscura definitivamente la respuesta? La mayoría de los astrónomos dirían que la materia oscura es la mejor y más simple explicación para muchos de los fenómenos que vemos en el universo. Si bien existen problemas potenciales para los modelos de materia oscura más simples, como el número de pequeñas galaxias satélite, son problemas interesantes más que imperfecciones imperiosas.

Pero el hecho es que todavía tenemos que detectar la materia oscura directamente. Esto no me molesta particularmente ya que la física tiene una historia de partículas que han tardado décadas en detectarse directamente. Si no lo hemos detectado dentro de 20 años, puede que me preocupe, pero por ahora apuesto a que la materia oscura es el verdadero negocio.

Este artículo se ha vuelto a publicar de The Conversation con una licencia de Creative Commons. Lea el artículo original.