Aquello que observan los astrónomos como galaxias, estrellas, planetas o gas cósmico está compuesto principalmente de materia formada por protones, neutrones y electrones, la cual emite o absorbe radiación electromagnética y así puede ser detectada con telescopios.

Pero todo apunta a que en el cosmos hay también una forma de materia invisible, misma que parece ser además 5 o 6 veces más abundante que la ordinaria y perceptible. Históricamente se conoce a este misterioso componente como materia oscura, expone Vladimir Ávila Reese, investigador del Instituto de Astronomía de la UNAM.

¿Qué es la materia oscura? Es un tipo de materia que no emite ni absorbe radiación electromagnética pero que sí genera gravedad cuando se acumula a escalas astronómicas. Por su acción gravitacional sobre los objetos luminosos y el gas es que los astrónomos dan cuenta de ella.

Esta materia, enfatiza, es imprescindible en nuestras teorías de formación de galaxias. Sin ella, no tendríamos las semillas para formar galaxias... y todo lo que hay dentro de ella, incluyéndonos.

Origen de las galaxias

Las fluctuaciones cuánticas en el albor del Universo dan origen a fluctuaciones en la densidad de masa. Es fácil mostrar que estas fluctuaciones, si están hechas sólo de materia ordinaria, se borran en el Universo temprano cuando la radiación era muy caliente. No obstante, si las fluctuaciones son de materia oscura, ellas sobreviven, pues la materia oscura no interactúa con la radiación electromagnética.

Las fluctuaciones de materia oscura se hacen cada vez más densas por su gravedad hasta colapsar y formar estructuras autogravitantes que capturan a la materia ordinaria. De esta materia ordinaria, confinada en el centro de las estructuras oscuras, nacen las galaxias.

La distribución a gran escala que se calcula para la materia oscura en simulaciones en supercomputadoras explica también muy bien porqué las galaxias están distribuidas como se observa: en una compleja red de filamentos, nodos y huecos. Si lo vemos de manera tridimensional, las galaxias conforman una estructura tipo esponja. Y esto es porque ellas simplemente siguen el molde gravitacional de la materia oscura.

Galaxias desordenadas

Fue el astrónomo Fritz Zwicky, quien se dio a la tarea de observar cómo se mueven las galaxias en el cúmulo de galaxias Coma, una estructura gigantesca con más de mil galaxias.  Él encontró que las galaxias en Coma se mueven desordenadamente y a grandes velocidades.

Para mantener en equilibrio a las agitadas galaxias, debería haber un campo gravitacional muy fuerte. Zwicky notó que la masa que suman todas las galaxias observadas del cúmulo es mucho menor a lo necesario para producir este campo gravitacional. Eso lo llevó a postular que en el cúmulo hay mucha más masa que no estamos viendo, la materia oscura.

En la década de los 70, Vera Rubin y otros astrónomos, midieron la velocidad con que giran galaxias espirales como la nuestra. Encontraron que si no hay un campo gravitacional muy fuerte, las galaxias tendrían que estar desbaratándose por su enorme velocidad de rotación. Nuevamente, para explicar por qué las galaxias no se desbaratan, se propuso que están inmersas en enormes estructuras de materia oscura que las confina.

¿De qué está hecha la materia oscura?

Las propuestas más aceptadas para explicar la materia oscura vienen de la física de partículas. Hay muchas partículas elementales que se predicen y que tienen las propiedades adecuadas para ser la materia invisible que los astrónomos y cosmólogos requieren. El reto es detectar directa o indirectamente a estas elusivas partículas. Para ello hay sofisticados experimentos en curso.

Mientras tanto, el doctor Vladimir Ávila Reese y sus colegas exploran, con modelos y simulaciones en supercomputadoras, cómo son las galaxias y sus sistemas con uno u otro tipo de partícula de materia oscura propuesta. Los resultados que sean más consistentes con las observaciones astronómicas dan pautas valiosas para discernir qué tipo de partículas son las más viables.

Así pues, la determinación de la naturaleza de la materia invisible es una de las cuestiones más importantes que ocupan a la astrofísica, la cosmología y la física de partículas en la actualidad.