Todos conocemos la materia que nos rodea, desde los átomos de los que estamos hechos, nuestro entorno, hasta las estrellas y galaxias. Pero todo eso que vemos, tu, yo, las estrellas, galaxias solo conforma el 4 o 5% del universo. Existe un 95-96 % restante que no sabemos que es, ese “lado oscuro” del universo, pero vemos sus efectos. Esto es lo que los científicos han llamado materia oscura y energía oscura.

Materia oscura

La materia oscura no se parece a nada que hayamos visto en la tierra, la invisible presencia de la materia oscura está en todas partes miles de millones de estas extrañas partículas atraviesan cada segundo todo lo que se encuentra, forma el 27 % del universo y tiene una masa 10 veces superior a la materia ordinaria. No se ha demostrado que existan partículas de materia oscura ya que no absorbe ni emite luz como con la materia en la que los electrones de los átomos emiten fotones a diferentes longitudes de onda que podemos ver (si esta en el rango del color) o detectar.

La búsqueda de materia oscura comenzó hace un siglo, en los años veinte y la tecnología alcanzó el desarrollo para observar con el telescopio más allá y Edwin Hubble declaró la existencia de otras galaxias como la nuestra la vía láctea, y estas se agrupan en cúmulos y supercúmulos. Una vez descubiertas las galaxias se hicieron mediciones y resultó que algo no cuadraba. Muchos descubrimientos científicos suceden así, cuando en un experimento, simulación… sale un resultado extraño y aparentemente erróneo. Las galaxias se movían 10 veces rápido dentro del cúmulo para la cantidad de cuerpos luminosos que aparentemente había y los cuerpos de las galaxias se trasladaban sobre el eje a velocidad prácticamente constante, en vez de rotar en función de la distancia al centro. Debía haber mucha más masa para explicar el movimiento de las galaxias y para que no se disgreguen las galaxias saliendo las estrellas disparadas. Por ejemplo, los planetas más cercanos del sistema solar se trasladan con mayor velocidad que los lejanos ya que cuanta menor sea la distancia o a más masa, aumenta la fuerza gravitatoria, según la teoría general de la relatividad de Einstein o, que incluso según la gravedad newtoniana aplicando las leyes de Kepler. Esto implicaba la presencia de una materia invisible que forme y sustente las galaxias y sus cúmulos, la materia oscura, un concepto revolucionario, que como muchos descubrimiento a lo largo de la historia, fue ignorado al principio.

Modelo de red de cúmulos y supercúmulos de galaxias.

En los años 50 se percataron los científicos de que la luz se curva formando lo que se llamó lente gravitacional, y si es circular un anillo de Einstein, que fue predicho por el célebre físico alemán, causadas por la desviación y distorsión que produce la materia (o equivalentemente la energía ya que E=mc^2) en la luz y en las imágenes de las galaxias. Estas lentes producidas de forma pronunciada por la materia oscura, se convirtieron en la forma principal para detectar esta misteriosa materia que abarca la mayor parte de la masa del universo.

funcionamiento lente gravitacional

Lente gravitacional que deforma luz de cúmulo de galaxias

Entonces comenzó la carrera para saber de que partícula está hecha la materia oscura. ¿Es una partícula ordinaria invisible o un nuevo tipo de partícula desconocida?

Se pensó en que podían ser agujeros negros debido a que, además de no emitir luz, atraen fuertemente la materia y además se detectan mediante lentes gravitacionales. Sin embargo, no hay tantos como para producir tales efectos.

Sea lo que sea la materia oscura, existe una cantidad mucho mayor que la materia ordinaria de estrellas y planetas. Todo lo que se puede formar a partir de los átomos ordinarios protones, neutrones y electrones no es suficiente para conformar la cantidad total de materia que ¨vemos¨ en las galaxias.

Otros candidatos a materia oscura podían ser los neutrinos, los cuales atraviesan la materia pero no son suficientemente numerosos para que, con su débil masa interactúe con tanta intensidad de campo gravitatorio.
Uno de los candidatos más buscados para formar la enigmática materia oscura son los axiones. El axión es una partícula, no descubierta aún, muy ligera y interacciona muy débilmente, con la materia convencional. Pero sin duda, una de las propiedades más sugerentes del axión es que se habría producido en grandes cantidades en una época temprana del Universo y por tanto podría influir gravitatoriamente. Estos axiones seguirían existiendo hoy y podrían componer la materia oscura del Universo. De hecho, si existe, se podría transformar en fotón o incluso en protón. Esta propiedad del axión es crucial para los experimentos que buscan su detección pero, a su vez la que le aparta de la candidatura por el hecho de que la materia oscura es estable, es decir, no se transforma en otras partículas.

Así que, tras no ver coincidencias claras con partículas conocidas en el modelo estándar, muchos científicos creen que la materia oscura es una nueva partícula exótica, a la que se le llama WIMP (del inglés weakly interacting massive particles; en español «partículas masivas que interactúan débilmente») todo que sabemos que la materia oscura es una sustancia pesada que no se mueve demasiado rápido y que no podemos verla.

Los científicos creen que la materia oscura se creó con el big bang. Siendo el soporte de la materia normal, acumulándose y dando estructura al universo junto con la energía oscura.

Encontrar materia oscura seria uno de los mayores descubrimientos de la historia de la humanidad; significaría responder grandes preguntas sobre el universo, su origen, su final etc.

Energia oscura

Es la energía que domina el espacio la cual compone aproximadamente el 69% del universo. Esta energía de repulsión provoca la expansión del universo, oponiéndose a la gravedad (mayormente debida a la materia oscura).

Ha habido distintos postulados acerca del movimiento del espacio. Desde siempre se ha dado por hecho que el universo es estático. El mismo Einstein estaba convencido de ello, creyendo después que fue su mayor error. Sin embargo el astrónomo Edwin Hubble llegó a la conclusión de que las galaxias se están separando unas de otras, y que cuánto más lejos está la galaxia más rápido se aleja.
Esto lo vio midiendo lo que se llama «el desplazamiento al rojo” causado por el efecto Doppler de la luz. Imaginemos que la onda de la luz es un muelle que entre máximo y máximo hay una determinada longitud, llamada longitud de onda, entonces cuando el espacio entre las galaxias aumenta, la luz contenida en el espacio se comporta como si el muelle se estirase. El desplazamiento al rojo viene porque el rojo es la mayor longitud de onda del espectro visible. Si por ejemplo una estrella de otra galaxia debería emitir luz azul (la menor longitud de onda visible) y la vemos roja eso quiere decir que la estrella y por tanto la galaxia que la contiene, se aleja a gran velocidad.

efecto Doppler luz

efecto Doppler luz en la expansión del espacio

Esta energía se pudo obtener teóricamente gracias a la constante cosmológica de Einstein, lo que el creyó su mayor error, al añadir un termino a su formula de la relatividad general para que el universo “siguiera estático” , ya que sin esa constante la formula dice que el universo o se expande o se contrae. Después se vio que el valor de esa constante correspondía a la energía oscura, aunque no se sabe porque tiene un valor concreto y si realmente proviene del vacío.
La constante cosmológica  aparece en las ecuaciones de Einstein como:

fórmula de relatividad general con constante cosmológica

Cuando  es cero, estas se reducen a la ecuación tradicional de la relatividad general. Las observaciones astronómicas implican que su valor satisface:

Con el efecto Doppler y midiendo las distancias entre muchas galaxias mediante la observación del brillo aparente de estrellas con brillo constante (por ejemplo las de tipo 1a) se consiguió, en los años 90, medir la aceleración del cosmos. Los científicos vieron asombrados, que al contrario de lo que se pensaba, el universo se expande cada vez más deprisa (llegaron a pensar que se habían equivocado en el signo XD), sin embargo hubo un tiempo en el que deceleraba y después por razones desconocidas volvió a acelerarse, y hasta ahora ha seguido así. Aunque recientemente se ha postulado que este cambio de sentido en la aceleración del espacio-tiempo, podría haber sucedido unas 7 veces siendo cada vez menos frecuente.

El espacio se expande más cuanto mayor es el espacio existente. Las galaxias tienden a separarse cada vez más independientemente de su movimiento en el espacio por ser este mismo el que se expande. Es un proceso que se retroalimenta, cuanto mayor espacio hay entre las galaxias, emerge más y más espacio, esta es la energía del vacío mismo. Los físicos piensan que esta energía viene de las partículas y antipartículas que aparecen y desaparecen en el vacío cuántico. Esto se basa en el efecto Casimir. (dos placas separadas un distancia, microscópica claro, se juntan debido a que se crean más partículas fuera que entre ellas, ejerciendo una presión que las empuja), consecuencia del principio de incertidumbre de Heisemberg aplicado a la energía. Si no hubiera energía en el vacío; sabríamos en todo momento la energía del sistema cuántico pero, según este principio no podemos saber la energía que tiene en un instante preciso; siendo realmente: cuanto más precisa es la medida de una de las dos magnitudes menor es la precisión de la otra. Y a lo largo de la historia la atracción y repulsión causadas por materia oscura y energía oscura respectivamente; han ido con el tiempo disminuyendo, en el caso de la materia oscura, y aumentando exponencialmente en el de la energía oscura. Al principio, poco después del big bang la influencia de la energía oscura era insignificante, y según se expandía fue cobrando importancia y hubo un momento hace 5000 millones de años en el que se igualaron atracción y repulsión, y seguidamente la fuerza repulsiva fue mayor; imponiéndose sobre la gravedad.
Comprender la interacción de la matera oscura y la energía oscura nos dirá como acabará el universo. Puede que llegue a un máximo de expansión y volverse sobre si mismo contrayéndose y acabando en una cantidad inmensa de calor, big crunch (gran implosión), o lo tener una muerte fría expandiéndose dominando por completo a la materia oscura. Si sigue como hasta ahora y la energía oscura sigue en esta dirección; el segundo final será el correcto.

Además algunos físicos dicen que esta energía podría ser aprovechada y, utilizarse por ejemplo para viajar por el espacio hacia las estrellas, más lejos que nunca antes se había llegado.
Por lo tanto, todos los descubrimientos actuales en física se refieren a menos del 5% del universo y, esto implica que nos falta mucho por saber. El conocimiento sobre materia oscura y energía oscura podría implicar una teoría del todo; que responda grandes incógnitas de la humanidad.

Investigaciones

El LHC (gran colisionador de Hadrones) del CERN (Organización europea para la investigación nuclear) recién actualizado tras el descubrimiento del bosón de Higgs, es más potente que antes, pasando de tener 7 TeV (teraelectronvoltios , energía del electrón en función de su carga y su diferencia de potencial en voltios) a 13 TeV y se espera encontrar indicios de materia oscura.

acelerador de partículas del CERN (LHC)

Otra forma de detectar esta escurridiza materia es en un laboratorio bajo tierra donde hay una placas de germanio, que es un elemento bastante denso. De esta forma se espera que una partícula de materia oscura choque con un átomo de germanio, aumentando ligeramente su temperatura con el intercambio de energía del impacto.
La ESA (agencia espacial europea) está construyendo un telescopio llamado Euclides para cartografiar la estructura del universo con el fin de localizar materia oscura y la energía oscura y explicar porque se acelera la expansión del cosmos. El telescopio espacial será lanzado en 2020.

telescopio Euclides

En La Palma (Canarias), el telescopio William Herschel estudia la energía oscura gracias al instrumento PAUcam (no, no está relacionado con la selectividad de entrada a la universidad). Esta novedosa cámara de fibra de carbono mide el desplazamiento mencionado anteriormente gracias a un mayor número de filtros fotométricos (40 en vez de 12 que es lo normal), que miden con gran precisión el color del cuerpo luminoso, con un error relativo del 0,3 %.

PAUcam

Fuentes: Canal historia, redes, TED, CERN, ESA, NASA, Agencia SINC, Wikipedia, Universidad de Valladolid.