Los científicos todavía están desconcertados acerca de la naturaleza de la materia oscura. Se están estudiando diferentes modelos, especialmente desde un enfoque de física de partículas. Sin embargo, otros marcos teóricos no derivados de la física de partículas están ganando atención, posiblemente abriendo respuestas alternativas al mismo problema. En este artículo, analizo el problema de la materia oscura y tres perspectivas diferentes de solución.
El problema de la materia oscura surge de un estudio de observaciones astronómicas que indica que la mayoría de las estructuras del universo tienen una «masa perdida». En otras palabras, la masa observada es diferente de la predicha por la teoría.
El problema de la materia oscura se asemeja a la investigación del cambio climático: varias confirmaciones probadas desconectadas que adquieren un significado profundo cuando las consideramos en su conjunto. El cambio climático no es solo un termómetro en una montaña, ya que la materia oscura no solo se propuso después de una discrepancia en una sola galaxia observada.
Este rompecabezas se ha convertido en uno de los temas más interesantes de la física moderna desde el punto de vista teórico y los esfuerzos experimentales en todo el mundo.
Dos notables ejemplos de evidencia de materia oscura
La más popular y la primera evidencia en la historia fue la “curva de rotación plana” en galaxias que muestra, en contraste con lo que anticipa la teoría gravitacional, velocidades similares de las estrellas en el centro de la galaxia así como en la periferia. Este hecho indica que se debe incluir una cantidad extra de masa, diferente de la “materia normal”, para aumentar la atracción gravitacional. De lo contrario, las estrellas periféricas volarían como proyectiles.
Las mediciones de alta precisión del Fondo Cósmico de Microondas (CMB), una antigua luz emitida cuando el universo era muy joven (alrededor de 300.000 años), han demostrado que se necesita “materia exótica” adicional para describir lo que observamos en su estructura.
El universo primitivo era denso y caliente: una sopa de partículas individuales que se movían muy rápido. En este régimen, la luz no podía moverse libremente y era absorbida, emitida y constantemente reabsorbida por electrones. Cuando el universo se enfrió, las partículas cargadas perdieron sus altas energías formando átomos, lo que permitió que los fotones escaparan del sopa. Esta luz, que proviene directamente del universo joven, llena el espacio y los científicos pueden medir su temperatura y determinar su distribución espacial. Esta información es crucial para comprender la física de esta época del universo.
Los astrónomos han encontrado que el proceso físico descrito en el Modelo Estándar de partículas subatómicas no explica completamente el mapa actual del fondo cósmico de microondas: si consideramos solo el Modelo Estándar de partículas subatómicas, nuestro joven universo se vería extremadamente uniforme. En cambio, lo que realmente observamos es un patrón de radiación no homogéneo y para explicar estas anisotropías hay que añadir un tipo de materia diferente a la incluida en el Modelo Estándar. El punto clave es que los fotones y la materia permanecieron acoplados durante demasiado tiempo en la historia cósmica. Aún así, a diferencia de lo que sucede con la materia ordinaria, la materia oscura se desacopla temprano de las partículas descritas por el modelo estándar, lo que permite que crezcan las faltas de homogeneidad primordiales. En consecuencia, sin la materia oscura, las estructuras del universo (galaxias, cúmulos, etc.) nunca podrían haberse formado.
Como vemos, la hipótesis de la materia oscura se ocupa de múltiples facetas de la naturaleza, así como de varios problemas específicos.
Resolviendo el problema de la materia oscura: una revisión de algunas propuestas
partículas oscuras
Los notables logros del Modelo Estándar de partículas subatómicas en las últimas décadas sugieren que la física de partículas es el marco preferido para guiar la discusión. La literatura científica está plagada de modelos que introducen nuevos candidatos a partículas con diferentes masas y formas de interacción con la materia regular, entre otras propiedades.
La propuesta más atractiva es la Wfácilmente Iinteractuando Slímite PAGSartículo (WIMP), en el que se puede lograr una historia completa del universo, incluida la materia oscura, mediante la inclusión de una partícula masiva (más pesada que un electrón) que interactúa extremadamente débilmente con las otras partículas del modelo estándar. Estas propiedades son necesarias para producir una «partícula oscura» que no genera luz mientras produce una cantidad adicional de gravedad.
Las búsquedas de algunos de estos nuevos candidatos a partículas son intensas, se están realizando muchos experimentos en todo el mundo utilizando técnicas muy diferentes de paredes de cruce de lásery partícula colisionadores a paleodetectores junto con pruebas astrofísicas y cosmológicas. Sin embargo, a pesar de estos esfuerzos, no se han encontrado pruebas. Pero “la ausencia de evidencia no es evidencia de ausencia”, y la comunidad de la materia oscura espera nuevos resultados experimentales. Esta es un área importante de investigación actual, y es posible que tengamos noticias emocionantes en el futuro.
Modelos alternativos
Dado que el marco de la física de partículas no ha podido producir evidencia empírica, ¿por qué no explorar otra aproximación al problema? De hecho, existen propuestas alternativas, como la Modelo de agujeros negros primordiales y Teoría de la gravedad modificada. Sin embargo, no son las soluciones más apreciadas dentro de la comunidad de materia oscura.
Agujeros negros primordiales
En los últimos años, la Modelo de agujeros negros primordiales ha llamado la atención como una posibilidad interesante. La formación estándar de agujeros negros tiene sus raíces en mecanismos astrofísicos como el choque de nubes de gas o como una etapa final del proceso de colapso de estrellas. Por el contrario, los agujeros negros primordiales se habrían originado poco después del Big Bang, cuando era muy denso y caliente. En este entorno extremo, semillas de heterogeneidades energéticas habrían permitido la formación de estos objetos. Curiosamente, estas semillas habrían evolucionado con el universo hasta hoy y podrían ser la materia oscura actual. En consecuencia, los agujeros negros primordiales tienen características específicas en comparación con los agujeros negros astrofísicos; esto nos permite probar esta hipótesis.
Uno de los principales requisitos de un agujero negro astrofísico es que su estrella primordial debe tener más de tres masas solares. Bajo esta condición, la presión gravitacional es más fuerte que las reacciones nucleares en el núcleo, lo que lleva a la estrella a un estado final de agujero negro. Solo los agujeros negros primordiales podrían tener masas por debajo de tres veces la del sol. Una detección por debajo de este umbral puede considerarse evidencia directa de estos objetos. Otra posibilidad radica en el Fondo Cósmico de Microondas. Los agujeros negros primordiales podrían haber emitido radiación durante los primeros tiempos produciendo una pequeña desviación de los patrones de radiación y fluctuaciones de temperatura. A medida que la medición cósmica se vuelve más precisa, podemos aprender más sobre las posibles desviaciones de los modelos cosmológicos estándar y la posibilidad de formación de agujeros negros primordiales.
Modificación de la Teoría de la Gravedad
Una hipótesis de la materia oscura más controvertida es la modificación de la teoría gravitacional. Este paradigma no introduce ninguna materia adicional, a diferencia de las partículas de materia oscura o los modelos de Agujero Negro Primordial. En cambio, considera una estructura matemática diferente de la teoría de la gravitación actual. En otras palabras, el problema no es nuestro conocimiento sobre la materia del universo sino nuestro conocimiento (incompleto) de la gravedad.
Las críticas vienen de diferentes flancos. Una de ellas proviene de un sano conservadurismo científico: ¿por qué se debería alterar la teoría de la Relatividad General, uno de los pilares de la física moderna? Después de todo, es cierto que no se ha encontrado ninguna evidencia en contra de los principios (fundamentos) de la relatividad de Einstein y nadie podría decir que no se están realizando esfuerzos permanentes. De hecho, durante el último siglo se han anunciado grandes confirmaciones experimentales, como ondas gravitacionales o imágenes de agujeros negros. No obstante, cada una de estas evidencias tiene un rango de validez limitado, dejando espacio para posibles modificaciones donde aún no llega la confirmación experimental. Por ejemplo, no sabemos qué sucede a escalas de energía muy altas o longitudes microscópicas donde tienen lugar los efectos cuánticos.
La gravedad newtoniana modificada (MOND) es una de las versiones más exitosas de este enfoque; este marco sugiere una «aceleración mínima» para los cuerpos que se mueven en las galaxias.
Dentro de esta propuesta, la aceleración de un cuerpo en movimiento en una galaxia nunca puede ser cero y solo puede alcanzar este “valor mínimo”. En este sentido, se introduce una nueva escala (esta aceleración mínima) de la naturaleza, alterando la teoría newtoniana clásica. Curiosamente, este parámetro de aceleración mínima es que es posible ajustar una «curva de rotación plana» para algunas galaxias, evitando así la necesidad de materia oscura.
En una reciente artículo, la variante relativista de la Gravedad Newtoniana Modificada ha reproducido con éxito la estructura del fondo cósmico de microondas. Ante este hallazgo, este enfoque teórico encontró duras críticas. Aunque este es un gran logro, la idea aún está en una etapa inicial: es un modelo de juguete que no describe completamente la realidad física. Sin embargo, ha recibido atención rápidamente y ha abierto una ventana para futuros trabajos sobre este tema, muchos físicos están tratando de transformar este modelo académico en una idea más realista. Quizás la controvertida hipótesis de la Gravedad Newtoniana Modificada gane nuevos seguidores y se convierta en un marco más amplio. La evidencia y la coherencia teórica tendrán las últimas palabras.
Los científicos todavía están descifrando el camino para resolver el problema de la materia oscura. El paradigma de las partículas probablemente mantendrá su confiabilidad por un tiempo. Por otro lado, también es emocionante ver el surgimiento de explicaciones alternativas, como el modelo del Agujero Negro Primordial y la teoría de la Gravedad Modificada. Exista o no la materia oscura, la discusión actual sobre el tema muestra una de las características más extraordinarias de la ciencia: su capacidad para abrazar la controversia interna sin perder su certeza y confiabilidad.
Referencias
Skordis, C. y Złośnik, T. (2021). Nueva Teoría Relativista para la Dinámica Newtoniana Modificada. Cartas de Revisión Física, 127(16). https://doi.org/10.1103/physrevlett.127.161302
Schumann, M. (2019). Detección directa de materia oscura WIMP: conceptos y estado. Journal of Physics G: Física nuclear y de partículas, 46(10), 103003. https://doi.org/10.1088/1361-6471/ab2ea5
Villanueva-Domingo, P., Mena, O., & Palomares-Ruiz, S. (2021). Una breve revisión de los agujeros negros primordiales como materia oscura. Fronteras en Astronomía y Ciencias del Espacio, 8. https://doi.org/10.3389/fspas.2021.681084
Para leer más
Edwards, T. (8 de junio de 2021). Excavando en busca de materia oscura. Revista United Academics › Conectar ciencia y sociedad. https://www.ua-magazine.com/2019/02/15/digging-dark-matter/
(2020, 3 de agosto). Una alternativa a la materia oscura pasa la prueba crítica. Revista Cuanta. https://www.quantamagazine.org/modified-gravity-theory-passes-a-critical-test-20200728/
Siegel, E. (2020, 22 de diciembre). El único gran problema con todas las alternativas a la materia oscura y la energía oscura. Forbes. https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2020/12/22/the-one-big-problem-with-all-alternatives-to-dark-matter-and-dark-energy/?sh=602d69a47f55
Ilustración destacada: NASA, ESA, CFHT, CXO, MJ Jee (Universidad de California, Davis) y A. Mahdavi (Universidad Estatal de San Francisco)
