¿Cómo buscan los científicos la materia oscura? Un físico explica por qué la misteriosa sustancia es tan difícil de encontrar

¿Podremos generar una forma de interactuar con la materia oscura con la tecnología actual? – Leonardo S., 13 años, Guanajuato, México

Esa es una gran pregunta. Actualmente es uno de los problemas más difíciles y fascinantes tanto en astronomía como en física, porque aunque los científicos saben que una sustancia esquiva llamada materia oscura constituye la mayor parte de toda la materia en el universo, en realidad nunca la hemos observado directamente. Es muy difícil interactuar con la materia oscura porque es “oscura”, lo que significa que no interactúa directamente con la luz de ninguna manera.

Soy físico y los científicos como yo observamos el mundo que nos rodea principalmente buscando señales de diferentes longitudes de onda de luz. Entonces, independientemente del tipo de tecnología que utilicen los científicos, se topan con el mismo problema en su búsqueda de materia oscura.

Sin embargo, no es completamente imposible interactuar con la materia oscura, ya que puede interactuar con la materia ordinaria de otras formas que no involucran la luz. Pero esas interacciones son generalmente muy débiles. Lo que llamamos materia oscura es en realidad todo lo que podemos ver a través de estas interacciones más débiles, específicamente la gravedad.

¿Cómo sabemos que existe la materia oscura?

Una forma en que la materia oscura puede interactuar con la materia ordinaria es a través de la gravedad. De hecho, la gravedad es la razón principal por la que los científicos incluso piensan que existe materia oscura.

Durante décadas, los científicos han observado cómo las galaxias giran y se mueven por todo el universo. La gravedad actúa sobre las estrellas y las galaxias, de la misma manera que evita que flotes hacia el espacio. Los objetos más pesados ​​tienen una gravedad más fuerte. A estas enormes escalas, los investigadores han observado algunas rarezas inesperadas que la gravedad por sí sola no puede explicar.

Por ejemplo, hace casi 100 años, un astrónomo suizo llamado Fritz Zwicky estudió un cúmulo de galaxias llamado Cúmulo de Coma. Observó que las galaxias en su interior se movían muy rápido, hasta el punto de que deberían haberse dividido hace muchos millones de años.

La única forma en que el cúmulo podría haber permanecido unido durante tanto tiempo es si hubiera mucha más materia que lo mantuviera unido mediante la gravedad de la que el telescopio podía ver. Esta materia adicional necesaria para mantener unidas a las galaxias se conoce como materia oscura.

Unos 40 años después de Zwicky, una astrónoma estadounidense llamada Vera Rubin observó estrellas individuales moviéndose alrededor de los centros de galaxias espirales a medida que giraban. Vio que las estrellas en los bordes exteriores de la espiral se movían mucho más rápido de lo que cabría esperar si tan sólo la gravedad de las estrellas que se podían ver impidiera que volaran hacia el espacio intergaláctico.

Al igual que las galaxias que se mueven alrededor de cúmulos, el movimiento de las estrellas alrededor de los bordes de las galaxias podría explicarse mejor si hubiera mucha más materia en las galaxias de la que pudiéramos ver.

Una galaxia espiral en rotación en el cúmulo de Coma. NASA, ESA y Hubble Heritage Team (STScl/AURA); Reconocimiento: K. Cook (Laboratorio Nacional Lawrence Livermore)

Recientemente, los científicos han combinado telescopios ópticos que observan la luz visible con telescopios de rayos X. Los telescopios ópticos pueden obtener imágenes de las galaxias a medida que se mueven y giran. A veces, las galaxias en estas imágenes están distorsionadas o magnificadas por la gravedad proveniente de las grandes masas que tienen delante. Este fenómeno se llama lentes gravitacionales, que ocurre cuando la gravedad alrededor de un objeto muy pesado es tan fuerte que desvía la luz que pasa a su lado, actuando como una lente.

Por otro lado, los telescopios de rayos X pueden ver acumulaciones de gas caliente que rodean las galaxias. Combinando estos dos telescopios, los astrónomos pueden ver las galaxias así como el gas que las rodea: toda la materia que se puede observar. Luego pueden comparar estas imágenes con los resultados ópticos. Si se ven más lentes gravitacionales de las que podrían causar el gas, debe haber una masa más grande escondida en algún lugar que causa la lente.

La imagen combina imágenes ópticas de galaxias con imágenes de rayos X. El área rosa muestra el área donde el telescopio de rayos X puede ver la distribución del gas alrededor de las galaxias, y el área azul muestra el área donde se puede observar la lente gravitacional. Hay azul en lugares donde no hay rosa, por lo que la lente muestra que todavía hay algo pesado allí. La materia oscura vuelve a ser la mejor explicación. NASA, ESA, CKSC, M. Bradac (Universidad de California, Santa Bárbara) y S. Allen (Universidad de Stanford) Cómo podríamos ver la materia oscura

Desafortunadamente, lo único que esto les dice a los astrónomos es que la materia oscura debe estar allí, no lo que realmente es. Toda la evidencia de la materia oscura se basa en cómo interactúa con la gravedad a escalas muy grandes. Para los científicos todavía es “oscuro” en el sentido de que no ha interactuado directamente con ningún dispositivo de medición.

La fuerza débil no es visible en escalas de distancia normales. Pero para objetos del tamaño de un núcleo atómico o más pequeños, puede cambiar un tipo de partícula subatómica a otro. La fuerza débil también puede transferir energía y momento a distancias muy cortas; este es el principal efecto que los científicos esperan observar en la materia oscura. Estos procesos pueden ser extremadamente raros, pero en teoría debería ser posible verlos.

La mayoría de los experimentos que quieren ver la materia oscura directamente buscan señales de raras interacciones débiles en un detector subterráneo o rayos gamma que pueden verse en un telescopio especial de rayos gamma.

En cualquier caso, la señal de materia oscura probablemente sería muy débil, el resultado de una interacción que no puede explicarse de otra manera, o una señal que no parece tener otra fuente posible. Incluso si el efecto es débil, aún es posible observarlo, y cualquier señal de este tipo sería un gran paso adelante para poder ver la materia oscura más directamente.

En última instancia, puede ser una combinación de señales de experimentos en las profundidades del subsuelo, en colisionadores de partículas y diferentes tipos de telescopios, lo que finalmente permitirá a los científicos ver la materia oscura más directamente. Cualquiera que sea la tecnología que acabe teniendo éxito, es de esperar que pronto la materia que constituye nuestro universo sea un poco menos oscura.

Y como la curiosidad no tiene límite de edad, adultos, cuéntanos también qué te estás preguntando. No podremos responder todas las preguntas, pero haremos nuestro mejor esfuerzo.