Los planes de la NASA de devolver astronautas a la luna a través del programa Artemis y eventualmente enviar humanos a Marte resaltan hasta dónde ha llegado la exploración espacial. Sin embargo, si bien la Luna y Marte siguen siendo destinos atractivos llenos de misterios científicos, mirar más allá de nuestro sistema solar plantea preguntas aún más profundas sobre el universo mismo.
Entre los mayores de estos misterios se encuentra la materia, la sustancia que constituye todo lo que nos rodea. Sorprendentemente, la mayor parte de la materia en el espacio es invisible y los astrónomos aún no saben qué es.
Los físicos estiman que alrededor del 85% de toda la materia está formada por algo que no podemos ver, tocar o detectar directamente. Esta esquiva sustancia se conoce como materia oscura. No emite luz como las estrellas o las galaxias. La única razón por la que los científicos saben que existe es por su gravedad.
Las galaxias giran demasiado rápido para mantenerse unidas sólo mediante materia visible. La luz se curva más de lo esperado a medida que viaja por el espacio. Las galaxias dentro del cúmulo vuelan entre sí mucho más rápido de lo que deberían basándose únicamente en su masa aparente.
Basándose en datos de todo el cosmos, los científicos llegan sistemáticamente a la misma conclusión: hay algo que no se puede ver, pero cuya presencia es inconfundible. Es una pregunta que ha intrigado a los astrónomos como nosotros durante más de 50 años.
Entonces, ¿qué es la materia oscura y por qué es importante?
La pieza que falta del rompecabezas cósmico
Todo en nuestro mundo cotidiano está hecho de átomos, que son combinaciones de protones, neutrones y electrones. Estas partículas forman estrellas, planetas, personas y todo lo que ves.
Los científicos creen que la materia oscura es fundamentalmente diferente. Probablemente esté hecho de tipos de partículas completamente nuevos aún por descubrir. Comprender qué son estas partículas llenaría un gran vacío en la comprensión científica de la física. Pero la importancia de la materia oscura va mucho más allá de la física de partículas.
La materia oscura jugó un papel clave en la configuración del universo. Poco después del Big Bang que inició el nacimiento del universo, actuó como una especie de andamio gravitacional, ayudando a que la materia ordinaria se agrupara para formar las primeras galaxias y estrellas. Incluso hoy en día, actúa como el pegamento invisible que mantiene unidas a las galaxias.
En otras palabras, sin materia oscura, el universo tal como lo conocemos podría no existir.
En busca de materia invisible
Dado que la materia oscura no emite luz, los científicos deben buscarla indirectamente. Un enfoque prometedor es buscar las señales que podría producir cuando sus partículas colisionan y se aniquilan entre sí mediante un proceso conocido como aniquilación.
Esta idea puede parecer exótica, pero tiene una analogía familiar. En el ámbito de la imagen médica, dispositivos como los escáneres de tomografía por emisión de positrones, o para abreviar escáneres PET, detectan la radiación que se produce cuando las partículas de antimateria, los positrones, se aniquilan con los electrones, que son la materia normal.
La antimateria es simplemente una forma de materia hecha de partículas que tienen la misma masa que la materia ordinaria, pero cargas y propiedades cuánticas opuestas. Las señales de aniquilación en los escáneres PET permiten a los médicos mapear los tejidos cancerosos dentro del cuerpo humano.
Los científicos esperan que algo similar pueda suceder con la materia oscura. Si las partículas de materia oscura se aniquilan entre sí, pueden producir una radiación de alta energía llamada rayos gamma. Estos rayos gamma pueden actuar como huellas dactilares, revelando dónde se concentra la materia oscura y sus propiedades.
Como astrofísicos que estudian los rayos gamma, nosotros y nuestros colaboradores utilizamos telescopios espaciales para buscar estas señales.
Visualización del Proyecto Aquarius, una simulación cosmológica de alta resolución de la materia oscura. La imagen muestra la estructura de la materia oscura a grandes escalas cosmológicas (panel izquierdo) y a escala de la Vía Láctea. Volker Springel/Virgo Consortium, Proyecto Acuario Una señal misteriosa en el corazón de nuestra galaxia
Una de las herramientas más poderosas para esta búsqueda es el Telescopio Fermi de Gran Área de la NASA, conocido como Fermi-LAT, que ha estado observando el cielo de rayos gamma desde 2008. Los rayos gamma son la forma de luz más energética y son producidos por algunos de los fenómenos más extremos del universo.
Durante años, Fermi ha detectado un brillo inexplicable de rayos gamma procedente del centro de la Vía Láctea. Basándose en observaciones gravitacionales como las curvas de rotación de las galaxias, los movimientos de las estrellas y la curvatura de la luz, combinadas con simulaciones cosmológicas, los astrofísicos esperan que esta región sea excepcionalmente rica en materia oscura, lo que la convierte en un lugar intrigante para buscar señales de aniquilación.
¿Podría este resplandor ser evidencia de materia oscura?
Probablemente. Pero hay una complicación: el centro de nuestra galaxia también está lleno de fuentes astrofísicas más convencionales de rayos gamma, como las estrellas de neutrones que giran rápidamente, que se producen por el colapso de estrellas masivas. Estos objetos pueden producir rayos gamma que imitan la señal esperada de materia oscura.
En este momento, los científicos no pueden decir con certeza qué está causando la emisión. La señal podría ser una fuga o podría ser algo más común.
Rastros de galaxias más pequeñas
Para ayudar a resolver este misterio, los investigadores también están estudiando sistemas mucho más pequeños, conocidos como galaxias enanas, que orbitan alrededor de la Vía Láctea. Estas galaxias contienen materia oscura pero relativamente pocas otras fuentes de rayos gamma, lo que las convierte en entornos más limpios para la búsqueda de señales de materia oscura.
Hasta el momento no se ha realizado ninguna detección definitiva.
Sin embargo, un análisis publicado en marzo de 2024 por nuestro equipo de la Universidad de Clemson encontró indicios de una señal que emana de estas galaxias enanas, y los resultados actualizados recopilados desde entonces respaldan estos hallazgos.
Utilizando los últimos datos de Fermi-LAT, combinados con un inventario actualizado de galaxias enanas y estimaciones mejoradas de su contenido de materia oscura, buscamos señales débiles de rayos gamma en la población de galaxias enanas. Esto nos llevó a detectar un exceso de rayos gamma que también habían insinuado estudios anteriores. Cuantos más datos recopilamos, más significativa parece volverse la redundancia.
La evidencia aún no es lo suficientemente sólida como para afirmar que se ha descubierto la materia oscura, pero es intrigante. Las propiedades de esta señal también coinciden con lo que los científicos ven en el centro de la Vía Láctea. Si ambas señales tienen el mismo origen, el argumento a favor de la materia oscura se haría más fuerte.
La nave espacial Fermi explora el cielo de forma indirecta en busca de materia oscura. Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA/Chris Smith (USRA/GESTAR) La próxima década podría ser decisiva
Confirmar la señal de materia oscura requerirá más datos y mejores instrumentos trabajando juntos.
Las observaciones futuras de Fermi-LAT seguirán mejorando la sensibilidad de estas búsquedas. Además, se espera que nuevas instalaciones como el Observatorio Vera C. Ruby en Chile descubran más galaxias enanas para que los investigadores las estudien.
Otra misión clave es el espectrómetro e generador de imágenes Compton de la NASA, o COSI, cuyo lanzamiento está previsto para 2027. COSI ofrecerá una nueva vista del cielo de rayos gamma y podría ayudar a aclarar varios misterios de larga data. Entre estos misterios se encuentra otro resplandor brillante inexplicable procedente del centro de la galaxia, creado cuando los electrones y positrones se aniquilan, como en una exploración PET.
El telescopio COSI estudiará la antimateria en la galaxia. Concepto artístico de COSI, arriba – Northrop Grumman Systems Corporation
A pesar del descubrimiento de la señal de aniquilación hace más de 50 años, los científicos aún no saben de dónde proceden estos positrones. Al mapear esta emisión con un detalle sin precedentes, COSI podría ayudar a descubrir qué está produciendo el brillo y si podría estar relacionado con la materia oscura y otras señales inexplicables en la Vía Láctea.
Estos esfuerzos, junto con muchas otras búsquedas en curso, pueden ayudar a determinar si los científicos realmente están viendo huellas dactilares de materia oscura o algo completamente distinto.
A medida que los humanos se adentran más en el espacio, desde la Luna hasta Marte y más allá, nuevos mundos esperan ser descubiertos. Paralelamente a la nueva era de la exploración espacial, con cada nueva observación, los científicos pueden estar cada vez más cerca de responder una de las preguntas más fundamentales de la física.
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