¿Cómo se sabe que existe la materia oscura si no puede detectarse?
A partir del gran descubrimiento de Vera Rubin en 1977 se han acumulado diversas evidencias mediante observaciones astronómicas a diferentes escalas, desde galaxias y cúmulos hasta la radiación de fondo cósmico de microondas
Sabemos que existe la materia oscura porque, aunque no interacciona con la luz —de ahí su nombre—, sí interacciona con la materia normal y tiene un efecto gravitatorio en ella. Llamamos materia normal, o luminosa, a todo lo que comprendemos a nivel teórico y que sí podemos observar: de ella están constituidos los planetas, las estrellas, incluso el gas interestelar y también nosotras y nosotros. Esta sí la conocemos muy bien, sabemos que está formada por partículas que explicamos con el modelo estándar de física de partículas.
Uno de los efectos de esa interacción gravitatoria es que la materia oscura puede cambiar la trayectoria de objetos constituidos por materia normal. Tenemos diferentes evidencias de ello y todas esas evidencias nos indican que la materia oscura representa alrededor de un 85% de la materia del universo. Estas pruebas las tenemos a distintas escalas. Por ejemplo, a escalas galácticas; también a escala de cúmulos de galaxias, que son estructuras mucho mayores porque los cúmulos están constituidos por decenas o centenares de galaxias; y a escalas cosmológicas, que son todavía mucho mayores.
La primera evidencia importante es de 1977, cuando la astrónoma estadounidense Vera Cooper Rubin midió la velocidad con la que las estrellas giraban en un grupo de galaxias espirales. Aplicando las leyes de la gravitación, lo que se espera es que la velocidad de las estrellas cada vez más alejadas del centro disminuya, ya que en el centro de la galaxia está la mayor parte de la materia normal. Pero lo que vio Vera Cooper Rubin es que, muy lejos de ese centro, la velocidad seguía siendo constante. La única explicación para aquello es que tenía que haber otra materia que no veíamos, y con una masa nueve veces mayor que la de la materia que sí veíamos. Fue la primera evidencia que comprobó irrefutablemente la existencia de la materia oscura. Y en comprobaciones posteriores se han obtenido los mismos resultados. Este es un ejemplo de evidencia galáctica, la escala más pequeña.
Las evidencias en cúmulos de galaxias se centran en la medida de materia a través del efecto de lente gravitacional. Este efecto se basa en que, según la teoría de la relatividad de Einstein, cuando los fotones —las partículas que forman la luz— pasan cerca de un objeto con masa, su trayectoria se curva. Entonces, si tenemos una fuente de luz que miramos con un telescopio y, entre la fuente y el telescopio, hay un objeto masivo, puedes estimar la masa de ese objeto midiendo cuánto se ha curvado la luz. Así se calcula la materia en los cúmulos de galaxias. Y lo que se ha visto con este tipo de medidas es que solo el 20% de la materia es luminosa; el resto no emite luz, así que se piensa que tiene que ser materia oscura.
También hay evidencias a escalas todavía mayores, obtenidas a partir del fondo cósmico de microondas. Esta radiación se originó cuando el universo tenía 400.000 años —ahora tiene 13.800 millones de años— y podemos medirla hoy. Al estudiarla, obtenemos información del momento del universo en el que se empezaron a formar estructuras, justo cuando los fotones comenzaron a viajar libremente y cuando se originó la radiación del fondo cósmico de microondas. Cuando se mide esa radiación, sus características solo se explican correctamente si aceptamos que existe más de un 80% de materia oscura en el universo.
Es decir, todas estas evidencias a distintas escalas y con métodos distintos predicen la materia oscura y además predicen la misma cantidad. Por eso estamos tan seguros de que la materia oscura existe, aunque por ahora no sepamos qué es.
Marina Cermeño Gavilán es doctora en Física Teórica, investiga la materia oscura en el Instituto de Física Teórica de Madrid (UAM-CSIC).
Pregunta enviada vía email por Mariana Pérez Pásaro.
Coordinación y redacción:Victoria Toro.
Nosotras respondemos es un consultorio científico semanal, patrocinado por el programa L’Oréal-Unesco ‘For Women in Science’ y por Bristol Myers Squibb, que contesta a las dudas de los lectores sobre ciencia y tecnología. Son científicas y tecnólogas, socias de AMIT (Asociación de Mujeres Investigadoras y Tecnólogas), las que responden a esas dudas. Envía tus preguntas a nosotrasrespondemos@gmail.com o por X #nosotrasrespondemos.
