NGC 2336 es la galaxia por excelencia, grande, hermosa y azul, y es capturada aquí por el Telescopio Espacial Hubble de la NASA / ESA. La galaxia espiral barrada se extiende unos inmensos 200.000 años luz de ancho y se encuentra aproximadamente a 100 millones de años luz de distancia en la constelación norteña de Camelopardalis (la Jirafa). Crédito de la imagen: ESA / Hubble & NASA, V. Antoniou; Reconocimiento: Judy Schmidt

La materia oscura gobierna todas las galaxias. ¿Pero qué es exactamente? Los astrónomos creen que es una especie de partícula nueva y exótica. Es posible que haya escuchado algunos términos, como WIMP o axiones. Exploremos lo que realmente significan esos términos.

En primer lugar, hay algunas cosas que sabemos sobre la materia oscura. Los astrónomos creen que la materia oscura es algún tipo de partícula, previamente desconocida para la física. Sea lo que sea, constituye aproximadamente el 80% de la masa del universo. Apenas interactúa con la luz, si es que lo hace. Apenas interactúa con la materia normal, si es que lo hace. Apenas interactúa consigo misma, si es que lo hace. También sabemos que hace «frío», lo que significa que las partículas individuales no tienen velocidades muy altas.

Básicamente, simplemente se queda ahí y gravita. Pero esa gravedad es esencial: mantiene las galaxias pegadas y proporciona el andamiaje para toda la estructura a gran escala del universo.

Los WIMP

Uno de los primeros candidatos para la partícula de materia oscura son los WIMP (weakly interacting massive particles), o sea partículas masivas que interactúan débilmente. No es tanto un nombre como una categoría general. En este caso, «interacción débil» significa «interactúa a través de la fuerza nuclear débil» (aunque esa interacción también es literalmente débil). Los WIMP serían un nuevo tipo de partícula que solo habla con la materia normal a través de la fuerza débil, lo que explicaría por qué rara vez la vemos. En este escenario, los WIMP inundan el universo, e incluso podrían estar viajando a través de ti en este momento, aunque nunca lo sabrías excepto por su gravedad.

Aunque la existencia de los WIMPs en la naturaleza es actualmente una mera hipótesis, podría resolver una gran cantidad de problemas astrofísicos y cosmológicos relacionados con la materia oscura. Las principales características de un WIMP son:

  • Interactúan solamente con la fuerza nuclear débil y con la gravedad, y puede que con otras fuerzas no mayores que la fuerza nuclear débil.
  • Masa realmente elevada en comparación con las partículas del modelo estándar (de hecho, los WIMPs con una masa menor a 1 GeV entran dentro de la denominación de Materia Oscura Ligera).

Debido a la naturaleza neutra de estas partículas, las observaciones electromagnéticas no son capaces de detectarlas. A causa de su enorme masa, deberían moverse muy lentamente, y, por tanto, ser muy frías, y es por ello que deberían permanecer concentradas.​ Se han realizado simulaciones de universos llenos de materia oscura fría que arrojan distribuciones galácticas muy similares a las observadas. Los principales candidatos para componer la «materia oscura fría» son, aparte de los WIMPs, los MACHOs (en inglés wimp significa algo así como «enclenque, afeminado», por ello se optó en contraste por el nombre de MACHOs, con el significado de «massive compact halo objects»).

En contraste con los MACHOs, el modelo estándar de física de partículas no alberga ninguna partícula que posea las propiedades de las WIMPs. Las partículas de este modelo que sí que interactúan con la materia normal, como los neutrinos, son muy ligeras, por lo que son rápidas y están muy calientes. La materia oscura caliente es incompatible con los modelos cosmológicos, pues en ese caso el universo debería de ser mucho más homogéneo de lo que observamos. Muchos de los hipotéticos WIMP se explican mediante la supersimetría, como podría ser el neutralino, aunque la mayoría de estas partículas no se han logrado observar todavía.

Los axiones

El axión, por otro lado, es otra partícula hipotética (o realmente, categoría de partículas posibles) que fue deducida por exploraciones teóricas de varias leyes de simetría en el universo. Resultó que esta partícula hipotética, si existiera en número suficiente, funcionaría exactamente como sabemos que debería hacerlo la materia oscura.

El nombre fue introducido por Frank Wilczek, coescritor del primer artículo que predijo el axión. Wilczek buscaba un nombre para la partícula, y mientras lavaba la ropa, se fijó en el nombre del detergente que estaba usando, «Axion», y decidió ponerle ese nombre a la partícula, ya que esperaba que «limpiara» el problema de la QCD con la simetría CP.

En cosmología, el axión se considera un buen candidato para resolver el problema de la materia oscura. También se especula con la posibilidad de que, bajo determinadas circunstancias, los fotones puedan convertirse temporalmente en axiones, lo que explicaría por qué los fotones de alta energía pueden atravesar largas distancias por el universo sin ser absorbidos por la radiación de fondo.

A finales de 2006, Piyare Jain y Gurmukh Singh publicaron el descubrimiento de una partícula de masa inesperadamente grande (6-20 MeV) y muy reducida vida (del orden de 10-13 segundos) que podría ser el tan buscado axión.

Estudios recientes han teorizado que, de existir los axiones, estos tendrían una masa particularmente ligera, inferior a 10-7 eV.1​ Esta característica reduciría drásticamente sus posibilidades de formar parte de la materia oscura, pues se espera que sea más pesada. Sin embargo un estudio en 2014 indica que los axiones podrían ser partes de la materia oscura.

¿No te ha quedado claro?

Tranquilo, a los cosmólogos y a los físicos teóricos tampoco…

Más allá de los WIMP y los axiones, los físicos teóricos y los cosmólogos han ideado todo tipo de posibilidades más complicadas. Quizás la materia oscura interactúe consigo misma hasta cierto punto. Quizás haya múltiples especies de partículas de materia oscura. Quizás estén involucradas nuevas fuerzas de la física. Tal vez los axiones puedan agruparse de formas extrañas. Quizás esto, quizás aquello.

Sí, la materia oscura es un gran misterio. Sabemos que algo raro está sucediendo con el universo, pero no estamos exactamente seguros de qué. Pero sabemos que descifrar el misterio de la materia oscura iluminará todo un nuevo universo de la física.

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