En la década de 1930, el astrónomo suizo Fritz Zwicky observó que las galaxias de un cúmulo distante, orbitaban entre sí a una velocidad mucho mayor de lo que se esperaba, dado la cantidad de masa visible. Zwicky propuso la existencia de una sustancia invisible, a la que llamó materia oscura, que podría estar ejerciendo una fuerza gravitacional sobre estas galaxias.
Desde entonces, los científicos han confirmado que esta misteriosa materia está presente en todo el universo y que es seis veces más abundante que la materia normal, que cesta presente en los objetos ordinarios como pueden ser las estrellas y las personas. A pesar de la detección de la materia oscura en todo el universo, la mayoría de los científicos todavía se enfrentan a numerosas incógnitas. A continuación, presentamos 11 preguntas sin respuesta que son cruciales para poder entenderla…
¿Qué es la materia oscura?
En primer lugar, y lo más desconcertante, es que los investigadores aún no están seguros de qué es exactamente. Al principio, algunos científicos propusieron que la masa faltante en el universo estaba compuesta por pequeñas estrellas tenues y agujeros negros. Sin embargo, las observaciones detalladas no han revelado suficientes objetos de este tipo para explicar la influencia de la materia oscura, como señaló el físico Don Lincoln del Departamento de Energía Fermilab de EE. UU. La principal teoría actual es una partícula hipotética llamada Partícula Masiva de Interacción Débil, o WIMP, que se comportaría como un neutrón, excepto que sería entre 10 y 100 veces más pesada que un protón, según Lincoln. Sin embargo, esta teoría solo ha llevado a más preguntas….

¿Podemos detectar la materia oscura?
Si la materia oscura está compuesta de WIMP, debería estar a nuestro alrededor, siendo invisible y apenas detectable. Entonces, ¿por qué aún no hemos encontrado ninguna partícula de WIMP?…
Si bien estas partículas no interactuarían mucho con la materia ordinaria, siempre existe una pequeña posibilidad de que una partícula de materia oscura pueda chocar con una partícula normal como un protón o un electrón mientras viaja por el espacio. Por lo tanto, los investigadores han construido experimentos para estudiar grandes cantidades de partículas ordinarias en las profundidades del subsuelo, donde están protegidos de la radiación de interferencia que podría imitar una colisión de partículas de materia oscura. ¿Cuál es el problema?… Después de décadas de búsqueda, ninguno de estos detectores ha hecho un descubrimiento creíble. A principios de este año, el experimento chino PandaX informó la última no detección de WIMP. Según explicó un experto en ese momento, parece probable que las partículas de materia oscura sean mucho más pequeñas que las WIMP.
¿La materia oscura consiste en más de una partícula?
La materia ordinaria está compuesta por partículas comunes como protones y electrones, junto con otras partículas más exóticas como neutrinos, muones y piones. Algunos científicos se han preguntado si la materia oscura, que constituye el 85 por ciento de la materia del universo, también podría ser igual de compleja. Según el físico Andrey Katz de la Universidad de Harvard, «no hay una buena razón para suponer que toda la materia oscura del universo está formada por un solo tipo de partícula«. Katz sugiere que los protones oscuros podrían unirse con electrones oscuros para formar átomos oscuros, lo que produciría configuraciones tan diversas e interesantes como las que se encuentran en el mundo visible. Aunque estas propuestas han sido cada vez más imaginadas en los laboratorios de física, hasta ahora, los científicos no han encontrado una manera de confirmarlas o refutarlas.
¿Existen las fuerzas oscuras?
Además de la posibilidad de partículas adicionales de materia oscura, también existe la posibilidad de que experimente fuerzas similares a las que siente la materia ordinaria. Algunos investigadores han propuesto la existencia de «fotones oscuros», que serían análogos a los fotones que intercambian las partículas normales para generar la fuerza electromagnética, pero que solo serían detectables por las partículas de materia oscura. Físicos en Italia se están preparando para desviar un haz de electrones y sus antipartículas, positrones, a través de un diamante para detectar la posible existencia de fotones oscuros. Si existen fotones oscuros, los pares electrón-positrón podrían aniquilarse y producir una de las extrañas partículas portadoras de fuerza, lo que potencialmente podría abrir un nuevo sector del universo para la investigación.

¿Podría estar hecha de axiones?
Cada vez más físicos están considerando otras partículas de materia oscura además de los WIMP. Una de las principales candidatas es una partícula hipotética conocida como axión, que sería extremadamente liviana, quizás hasta 10 elevado a menos 31 veces menos masiva que un protón. Los experimentos actuales buscan detectar axiones. Simulaciones recientes sugieren que los axiones podrían agruparse en objetos similares a estrellas, lo que podría producir una radiación detectable similar a los misteriosos fenómenos conocidos como ráfagas de radio rápidas.
¿Cuáles son las propiedades de la materia oscura?
Los astrónomos descubrieron la presencia de materia oscura a través de sus interacciones gravitatorias con la materia ordinaria, lo que sugiere que este es su principal medio de manifestarse en el universo. Sin embargo, cuando intentan comprender su verdadera naturaleza, los investigadores tienen muy poca información para trabajar. Según algunas teorías, sus partículas deberían ser sus propias antipartículas, lo que significa que dos partículas de materia oscura se aniquilarían entre sí cuando se encontraran. Desde el año 2011, el experimento Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) en la Estación Espacial Internacional, ha estado buscando señales reveladoras de esta aniquilación y ya ha detectado cientos de miles de eventos. Aunque los científicos aún no están seguros de si estos provienen de la materia oscura, la señal detectada podría ayudarlos a determinar que es con una mayor precisión.
¿Existe materia oscura en todas las galaxias?
Debido a que supera enormemente a la materia ordinaria, a menudo se dice que es la fuerza controladora que organiza grandes estructuras como galaxias y cúmulos galácticos. Sin embargo, a principios de este año, los astrónomos anunciaron que habían encontrado una galaxia llamada NGC 1052-DF2 que parecía contener muy poca materia oscura en comparación con la materia visible. «Aparentemente, la materia oscura no es un requisito absoluto para formar una galaxia«, dijo Pieter van Dokkum de la Universidad de Yale a Space.com en ese momento . Sin embargo, durante el verano, un equipo publicó un análisis que sugería que el equipo de van Dokkum había medido mal la distancia a la galaxia, lo que significa que su materia visible era mucho más tenue y liviana que los primeros hallazgos y que una mayor parte de su masa podría estar en la materia oscura de lo que se había sugerido previamente.

¿Qué pasa con los resultados de DAMA/LIBRA?
Un enigma en la física de partículas es la discrepancia de resultados del experimento europeo conocido como DAMA/LIBRA. Este detector, ubicado en una mina subterránea debajo de la montaña Gran Sasso en Italia, ha estado buscando una oscilación periódica en partículas de materia oscura. Esta oscilación debería surgir a medida que la Tierra se mueve en su órbita alrededor del sol mientras atraviesa la corriente galáctica que rodea nuestro sistema solar, a veces llamada viento de materia oscura. Desde 1997, DAMA/LIBRA ha afirmado haber observado exactamente esta señal, aunque ningún otro experimento ha detectado algo similar.
¿Podría la materia oscura tener carga eléctrica?
Desde el principio de los tiempos, una señal ha llevado a algunos físicos a sugerir que la materia oscura podría tener una carga eléctrica. En la infancia del universo, solo 180 millones de años después del Big Bang, las estrellas emitieron radiación con una longitud de onda de 21 centímetros. Luego, esta radiación fue absorbida por hidrógeno frío que estaba alrededor en ese momento. Cuando los científicos detectaron esta radiación, sugirieron que el hidrógeno era mucho más frío de lo que habían predicho. El astrofísico Julian Muñoz de la Universidad de Harvard, planteó la hipótesis de que la materia oscura con una carga eléctrica, podría haber extraído el calor del hidrógeno omnipresente, de manera similar a los cubos de hielo que flotan en la limonada. Sin embargo, aún no se ha confirmado esta conjetura.
¿Pueden las partículas ordinarias desintegrarse en materia oscura?
Los neutrones son partículas subatómicas con una vida media limitada. Después de alrededor de 14,5 minutos, un neutrón libre se desintegra en un protón, un electrón y un antineutrino. Sin embargo, dos configuraciones experimentales diferentes han medido tiempos de vida ligeramente diferentes para esta desintegración, con una discrepancia de aproximadamente 9 segundos, según un estudio publicado en julio en la revista Physical Review Letters. A principios de este año, algunos físicos sugirieron que si el 1 por ciento del tiempo, algunos neutrones se descompusieran en partículas de materia oscura, podrían explicar esta anomalía. Christopher Morris y su equipo del Laboratorio Nacional de Los Álamos en Nuevo México, monitorearon los neutrones buscando una señal que pudiera ser materia oscura, pero no encontraron nada. Según el estudio, aún podrían existir otros escenarios de desintegración posibles.
¿Existe realmente la materia oscura?
Dada la complejidad del fenómeno, algunos físicos han cuestionado la validez de las teorías actuales sobre la gravedad y la fuerza fundamental en grandes escalas. Estas teorías, conocidas como «dinámica newtoniana modificada» o modelos MOND, proponen que no hay materia oscura y que las velocidades ultrarrápidas de rotación observadas en estrellas y galaxias son el resultado de un comportamiento gravitatorio inesperado. Aunque estas ideas son promovidas por una minoría de físicos, no han logrado convencer a la mayoría de ellos. A pesar de esto, la evidencia más reciente sigue sugiriendo que la materia oscura es real y continúa siendo objeto de investigación activa en el campo de la física de partículas. Como escribió el físico Don Lincoln en un artículo explicativo: «La materia oscura sigue siendo un modelo no confirmado«.