No podemos ver la materia oscura, pero hay una forma ingeniosa de mapearla

La pregunta más importante en la física actual, y posiblemente en toda la ciencia, es aparentemente simple: ¿De qué está hecho el universo? La respuesta a eso solo parece obvia hasta que aprendes que todo lo que vemos a nuestro alrededor, cada objeto, cada mota de polvo, cada partícula, representa solo el 5% de todo lo que existe. Esta materia ordinaria es, con mucho, una minoría, y el resto del universo es un 27 % de materia oscura y un 68 % de energía oscura.

“La materia oscura es sobre todo materia. Está en todas partes y acecha en la oscuridad”, dijo a Digital Trends el cosmólogo Alex Hall de la Universidad de Edimburgo. “Es esta cosa misteriosa muy fundamental que simplemente no se entiende”.

Sabemos que este universo oscuro debe existir debido a los movimientos de las galaxias, pero no podemos verlo ni tocarlo. Puede pensar que eso haría que la investigación de la materia oscura fuera casi imposible, pero de hecho, nos estamos acercando más que nunca a la comprensión de este mundo oculto.

Subyacente a la estructura del universo.

La materia oscura no está simplemente flotando llenando el espacio vacío. Es importante destacar que se encuentra en grupos y estructuras, similares a la materia ordinaria. Forma la estructura sobre la que se adhiere la materia ordinaria y se cree que es responsable de las estructuras de las galaxias y del universo en su conjunto.

"Sabemos que las galaxias se forman en el andamio que produce la materia oscura", explicó el astrónomo e investigador del universo primitivo Steve Wilkins de la Universidad de Sussex. “Es una parte integral de nuestro universo explicar lo que vemos”.

Esto se debe a los efectos gravitatorios de la materia oscura, por lo que un grupo de materia oscura atraerá más materia oscura hacia él, y también atraerá materia ordinaria. Como las estrellas requieren densas nubes de gas para formarse, tienden a formarse en regiones con mucha materia oscura.

Entonces, la materia oscura realmente impulsa la formación de estrellas y, por lo tanto, de galaxias, tanto a lo largo de la historia del universo como en términos de las nuevas galaxias que se forman ahora. “La presencia de materia oscura realmente da forma a las galaxias actuales”, dijo Wilkins.

Dibujar un mapa de lo desconocido

A pesar de lo importante que es la materia oscura, en realidad estudiar el tema es un desafío porque no interactúa con la materia ni ilumina la forma en que lo hacen otras partículas.

“Realmente no sabemos muy bien qué es lo que estamos buscando”, dijo Hall. "Así que es difícil diseñar el experimento perfecto para hacer esto porque no tenemos un control teórico firme sobre lo que debería ser la materia oscura".

Sin embargo, aunque es posible que no podamos detectar directamente la materia oscura, podemos ver dónde se encuentra debido a sus efectos gravitacionales. Entonces, uno de los métodos principales para investigarlo en este momento es mapear su ubicación, con el objetivo de ver cómo se distribuye la materia oscura en todo el universo.

Ese es el objetivo de la misión Euclid lanzada recientemente por la Agencia Espacial Europea, en la que trabajan tanto Hall como Wilkins. Un telescopio espacial construido con niveles de precisión extremadamente altos , actualmente está en camino a la órbita L2 alrededor del sol, desde donde podrá observar galaxias distantes sin tener que lidiar con el resplandor del sol o las distorsiones de la atmósfera terrestre. El objetivo es crear un mapa 3D de cómo se distribuye la materia oscura en el universo.

Euclid utilizará dos métodos principales para localizar la materia oscura: lente gravitacional y agrupamiento de galaxias. La lente gravitatoria, o lente débil, es el mismo método utilizado por telescopios como James Webb o Hubble para investigar objetos extremadamente distantes . Se basa en el hecho de que un objeto lo suficientemente masivo doblará el espacio-tiempo, doblando la luz que viene de detrás y actuando como una lupa.

Pero mientras que Webb o Hubble usan este efecto para observar la luz doblada proveniente de galaxias de fondo muy distantes como una forma de estudiar objetos demasiado distantes para ser observados de otra manera, Euclid lo usará de una manera diferente. Al ver cuánto espacio-tiempo está distorsionado por un objeto en primer plano como una galaxia, podemos inferir cuánta materia oscura debe estar presente en esa galaxia en primer plano.

Inferir lo invisible

El problema es que aunque hay mucha materia oscura en el universo, “los efectos que tiene sobre la materia normal son bastante sutiles”, dijo Hall.

Entonces, los efectos de las lentes gravitacionales son muy pequeños, con un cambio de alrededor del 1% en la forma de la galaxia. Para medir este efecto de manera significativa se requiere tanto la imagen de un gran número de galaxias como la adquisición de imágenes muy precisas. Es por eso que Euclid está realizando un estudio muy amplio del cielo y por eso necesita estar en el espacio para minimizar las distorsiones.

El otro método utilizado por Euclid para investigar la materia oscura, el agrupamiento de galaxias, es una medición menos directa de la materia oscura pero con un efecto más fuerte. Al mapear las ubicaciones de las galaxias en tres dimensiones, puede inferir dónde se ubicará la materia oscura, en términos generales. Esto se debe a que la materia regular en las galaxias rastrea la ubicación de la materia oscura, "así que donde hay mucha materia oscura, tiendes a tener más galaxias", explicó Hall.

Una vez que se complete el estudio de Euclid y se hayan analizado los datos, dentro de unos diez o doce años, deberíamos tener un mapa de la materia oscura del universo y poder ver cómo esa distribución ha cambiado con el tiempo.

Un paso a la vez

Tener un mapa de la materia oscura puede ser genial, pero ¿cómo ayuda a comprender qué es realmente la materia oscura? Para el próximo paso en la investigación, necesitamos supercomputadoras.

La forma principal en que los astrónomos, que toman observaciones, y los teóricos, que encuentran posibles explicaciones de la materia oscura, trabajan juntos mediante el uso de modelos. Los investigadores pueden usar el poder de la computación para ejecutar simulaciones del universo, viendo cómo podría aparecer si las diferentes teorías de la materia oscura fueran correctas.

¿Cómo se ve el universo si la materia oscura es pesada o liviana? ¿Qué tal si la materia oscura es caliente, templada o fría? Potentes supercomputadoras pueden calcular cómo estos diferentes factores cambiarían la distribución de la materia oscura en todo el universo, luego podemos comparar estas simulaciones con las observaciones del universo tal como lo vemos realmente.

Ninguno de los modelos que hemos ideado hasta ahora ha encajado perfectamente, pero los datos que estamos recopilando ahora nos permitirán descartar clases enteras de teorías sobre lo que podría ser la materia oscura.

Encontrar las partículas escurridizas

La otra gran y activa vía de investigación de la materia oscura actualmente es la búsqueda de las partículas de las que podría estar compuesta. La mayoría de los investigadores piensan que la materia oscura es probablemente una partícula de algún tipo, aunque no sabemos qué podría ser esa partícula.

Las instalaciones de física de partículas como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) son capaces de romper partículas para crear partículas exóticas de corta duración, cualquiera de las cuales podría ser candidata a materia oscura.

Aunque estos experimentos aún no han encontrado una partícula candidata para la materia oscura, han descartado clases de partículas. Y los investigadores del CERN, el grupo que dirige el LHC, están particularmente interesados ​​en un enfoque llamado supersimetría, que es una extensión del modelo estándar de partículas donde cada partícula estándar tiene un compañero de diferente masa. Si se encuentran, estas partículas podrían ayudar a crear una gran teoría unificada de la física y explicar la materia oscura.

Finalmente, otra forma de tratar de comprender la materia oscura es observar sus interacciones. La materia oscura no interactúa con la materia ordinaria, pero algunos investigadores creen que podría interactuar consigo misma, por lo que podría ser posible detectar algún tipo de radiación creada por esta autointeracción. “No han encontrado nada, pero su precisión estadística y su comprensión de estos experimentos y los límites que pueden poner en estas cosas está mejorando todo el tiempo”, dijo Hall.

Empujando los límites del conocimiento

Tan desalentador como puede ser la tarea de socavar las afueras de un fenómeno profundamente misterioso, los investigadores deben abordarlo lo mejor que puedan con las herramientas actualmente disponibles para ellos, y hacerlo con humildad y cooperación.

“Este es un gran problema en física y debe abordarse en pequeños pasos”, dijo Hall.

Tan gratificante como sería descubrir la partícula de materia oscura mañana, en realidad, la investigación actual sobre la materia oscura es menos como un momento eureka que sacude la Tierra y más comparable a quitar la tierra para revelar un artefacto en una excavación arqueológica. Los equipos de investigadores trabajan para eliminar una idea a la vez, descartando teorías incorrectas para acercarse lentamente a la verdad.

“Así es como progresa la ciencia”, dijo Hall. “Descartas teorías y finalmente te limitas a algo que crees que es una representación veraz de la naturaleza”.

En la última década, tanto las mejoras tecnológicas, como los procesadores informáticos más rápidos y los nuevos telescopios, como los desarrollos teóricos han llevado a los investigadores de la materia oscura más lejos que nunca, y los investigadores están descifrando un gran misterio.

Tan difícil como es el problema de la materia oscura, eso es parte de lo que lo hace tan emocionante para los investigadores. “Creo que nosotros, como humanos, queremos saber más sobre la naturaleza, sobre el universo y sobre el mundo que nos rodea”, dijo Hall. “Tener esa comprensión enriquece todas nuestras vidas”.