Materia oscura
La materia oscura es materia invisible que solo se detecta por su atracción gravitatoria y supone cerca del 27 % del contenido del universo.
La materia oscura es una forma de materia que no emite, absorbe ni refleja luz, por lo que no podemos verla, pero cuya presencia se deduce por sus efectos gravitatorios sobre las galaxias, los cúmulos de galaxias y la luz. Según las mediciones del satélite Planck, constituye alrededor del 27 % del contenido total de materia y energía del universo; la materia ordinaria es solo un 5 %.
¿Qué es la materia oscura?
El adjetivo «oscura» significa que no interactúa con la radiación electromagnética. No es materia que esté a oscuras por falta de luz: es materia que, por su naturaleza, es transparente a ella. Sí interactúa mediante la gravedad, de modo que su masa deforma el espacio y atrae a la materia visible. No debe confundirse con la antimateria ni con la energía oscura, que es la responsable de la expansión acelerada del universo.
| Componente del universo | Proporción aproximada |
|---|---|
| Energía oscura | 68 % |
| Materia oscura | 27 % |
| Materia ordinaria (bariónica) | 5 % |
Evidencias de su existencia
- Cúmulos de galaxias (1933): el astrónomo suizo Fritz Zwicky observó que las galaxias del cúmulo de Coma se movían tan deprisa que el cúmulo debía contener mucha más masa que la visible para no dispersarse.
- Curvas de rotación (años 70): Vera Rubin y Kent Ford midieron la velocidad con que giran las estrellas en las galaxias espirales. Según la ley de gravitación, las más alejadas del centro deberían moverse más despacio, pero su velocidad se mantiene prácticamente constante. Se necesita un halo de masa invisible que las retenga.
- Lentes gravitacionales: la masa curva los rayos de luz de objetos lejanos, y la desviación observada es mayor que la que causa la materia visible.
- Cúmulo Bala (2006): en la colisión de dos cúmulos, la mayor parte de la masa, trazada por lentes gravitacionales, queda separada del gas caliente visible; es difícil de explicar sin materia oscura.
- Fondo cósmico de microondas: el patrón de sus fluctuaciones, medido con gran precisión por Planck, solo encaja con una cantidad determinada de materia oscura.
¿De qué podría estar hecha?
No se sabe. Entre las principales hipótesis:
- WIMP (partículas masivas de interacción débil): partículas hipotéticas que apenas interaccionan con la materia ordinaria.
- Axiones: partículas muy ligeras propuestas para resolver otro problema de la física de partículas subatómicas.
- Neutrinos estériles: variantes hipotéticas del neutrino que solo notarían la gravedad.
- Agujeros negros primordiales: formados poco después del Big Bang, aunque las observaciones limitan mucho esta opción.
Los neutrones, los protones y demás partículas conocidas del Modelo Estándar no pueden explicarla. Como alternativa, algunos físicos proponen modificar la gravedad (teoría MOND, de Mordehai Milgrom, 1983), aunque no explica por sí sola todas las observaciones, como el cúmulo Bala.
Cómo se busca
- Detección directa: detectores subterráneos como XENONnT, LUX-ZEPLIN o PandaX buscan el choque de una partícula de materia oscura contra un núcleo de xenón. Hasta ahora no se ha confirmado ninguna señal.
- Detección indirecta: telescopios y satélites buscan rayos gamma o antipartículas que surgirían de su aniquilación.
- Aceleradores: el Gran Colisionador de Hadrones del CERN intenta producirla en colisiones.
- Cartografía cósmica: misiones como Euclid (ESA, lanzada en 2023) estudian la distribución de la materia oscura a gran escala por su efecto en la luz.
Ejercicios resueltos
1. El Sol orbita a unos 8 kpc del centro de la Vía Láctea a 220 km/s. Estima la masa contenida en esa órbita (1 kpc = 3,086 × 10¹⁹ m; M☉ = 1,989 × 10³⁰ kg).
Para una órbita circular, M = v²·r/G. r = 8 × 3,086 × 10¹⁹ = 2,47 × 10²⁰ m; v = 2,2 × 10⁵ m/s. M = (4,84 × 10¹⁰)(2,47 × 10²⁰)/6,674 × 10⁻¹¹ ≈ 1,8 × 10⁴¹ kg ≈ 9 × 10¹⁰ masas solares.
2. Si la materia oscura es el 27 % y la ordinaria el 5 %, ¿cuántas veces hay más materia oscura que ordinaria?
27 / 5 = 5,4. Resultado: aproximadamente 5 veces más (con los valores más precisos de Planck, 26,8 % y 4,9 %, unas 5,5).
3. Si solo existiese la materia visible, ¿cómo variaría la velocidad orbital con la distancia lejos del centro de una galaxia?
Con la masa M fija, v = √(G·M/r), es decir, v ∝ 1/√r: disminuiría. Como se observa v constante, M(r) debe crecer con r. Resultado: hay masa adicional no visible.
Preguntas frecuentes
¿Se ha visto alguna vez la materia oscura?
No directamente. Solo se detectan sus efectos gravitatorios, y ningún experimento ha identificado todavía las partículas que la compondrían.
¿Cuál es la diferencia entre materia oscura y energía oscura?
La materia oscura atrae con su gravedad y mantiene unidas las galaxias; la energía oscura es un efecto que acelera la expansión del universo. Son fenómenos distintos con nombres parecidos.
¿Podría no existir la materia oscura?
Es posible que la explicación sea una gravedad modificada, pero la mayoría de los físicos considera que la materia oscura explica mejor el conjunto de las observaciones.
¿Hay materia oscura a nuestro alrededor?
Sí, se cree que un halo de ella envuelve la Vía Láctea y que atraviesa la Tierra continuamente, pero sin interaccionar.
Referencias
- Rubin, V. C., Ford, W. K. y Thonnard, N. «Rotational properties of 21 Sc galaxies», The Astrophysical Journal, 1980.
- Colaboración Planck. «Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters», Astronomy & Astrophysics, 2020.
- Carroll, B. W. y Ostlie, D. A. An Introduction to Modern Astrophysics. Cambridge University Press.
Cómo citar este artículo
Equipo de Conceptualia. (2024). «Materia oscura». Conceptualia. https://conceptualia.es/ciencias-naturales/fisica/materia-oscura/
