No hemos de confundir la materia oscura con la antimateria o con la energía oscura; es algo totalmente diferente y sin relación con ellas. Tampoco se ha de confundir con los agujeros negros, aunque respecto a este tema tendremos que precisar un poco más después.

Toda la materia que vemos a nuestro alrededor, la que podemos medir, pesar, como son las moléculas, átomos, planetas, estrellas, galaxias, es la denominada materia bariónica. Se le denomina así por estar compuesta de bariones estables, es decir, neutrones y protones que como sabemos junto a los electrones componen los átomos. Pues bien, esta materia, que es toda la que conocemos, sólo constituye aproximadamente el 5% del Universo: el 27% es materia oscura y el 68% es energía oscura, responsable esta última de la expansión acelerada del Cosmos y de la que hablaremos otro día.

Durante el siglo XIX insignes matemáticos y astrónomos jugaron con la idea de que en el universo podía existir materia invisible que no pudiéramos ver. Friederich Bessel fue de los primeros en proponerlo tras estudiar el movimiento errático de las estrellas Sirius y Procyon. Urbain Le Verrier y John C. Adams de manera independiente y estudiando las perturbaciones de la órbita de Urano dedujeron matemáticamente la existencia de un planeta que denominaron oscuro y que finalmente resultó ser Neptuno. Lord Kelvin, teniendo en cuenta las sugerencias del matemático Henri Poincaré, también propuso la existencia de esta materia extraña a la que denominó “estrellas oscuras”, puesto que en las observaciones de la Vía Láctea parecía que había un número insuficiente de estrellas visibles para justificar su velocidad de rotación dentro de la galaxia.

La inmensa mayoría de los científicos acepta la existencia de la materia oscura, pero no se ponen de acuerdo de qué puede estar hecha"

En 1933 el astrónomo suizo Fritz Zwicky obtuvo nuevas pruebas de la posible existencia de una materia invisible a la que denominó materia oscura durante su estudio del Cúmulo de Coma, donde entre más de mil galaxias pudo observar que las velocidades orbitales de muchas de ellas no cuadraban con la masa visible del conjunto. Esta propuesta cayó en el olvido, ya que en un principio fue tachada de especulativa y porque la física de partículas no tenía un candidato apropiado que cumpliera esas extrañas propiedades; además de que las herramientas de observación astronómica de la época no permitían confirmar o refutar esa teoría. Habría que esperar hasta el principio de la década de los 70 del siglo XX cuando Vera Rubin, astrónoma del Carnegie Institution of Washington, expuso ante la comunidad científica los resultados de las observaciones de las galaxias espirales utilizando un nuevo espectrógrafo muy sensible que podía medir con bastante exactitud sus velocidades de rotación.

La conclusión era sorprendente ya que las estrellas de esas galaxias giraban casi a la misma velocidad sin importar la distancia a la que se encontrasen del centro galáctico. Esto no podía justificarse con las teorías de la gravedad conocidas y se rescató la idea de la materia oscura ya que gracias a su posible influencia la densidad de esas galaxias sería uniforme más allá de su centro y explicaría esa velocidad rotación coincidente.

En un principio este descubrimiento volvió a despertar el escepticismo entre los expertos, aunque el trabajo de otros astrónomos, con posterioridad, corroborarían los resultados de Vera Rubin. Hoy en día se piensa que las galaxias están rodeadas de un halo invisible de materia oscura que supone más del 50% de su masa. Existen voces discrepantes todavía y en 1981 Mordehai Milgrom propuso la teoría MOND (Modified Newtonian Dynamics), en la que se sugiere que la gravedad se comporta de manera diferente a escalas galácticas donde las aceleraciones son muy bajas. Esta teoría contempla velocidades estelares constantes en vez de crecientes y aunque explica algunas observaciones, falla en muchas otras. La inmensa mayoría de los científicos hoy en día aceptan la existencia de la materia oscura y rechazan la teoría MOND; no obstante, existe una pequeña comunidad que sigue investigando en MOND y tratando de adaptar las leyes de la Gravitación Universal de Newton a las observaciones actuales.

Sí, la inmensa mayoría de los científicos acepta la existencia de la materia oscura pero no se ponen de acuerdo de qué puede estar hecha. Recordemos que se trata de una materia tan especial que no responde a las interacciones electromagnéticas de la luz, de ninguna frecuencia del espectro, es decir, no emite, no refleja y no absorbe radiación electromagnética. ¡Quizá hubiera sido más apropiado llamarla materia invisible en vez de oscura!

La búsqueda de la materia oscura comenzó hace tiempo con resultado infructuoso hasta el momento. Los físicos experimentales y los ingenieros intentan construir detectores siguiendo los estudios teóricos, pero estos dan resultados enormemente discordantes, ya que entre los candidatos más ligeros a ser materia oscura y los más pesados hay unos 90 órdenes de magnitud en masa, ¡es decir, 10⁹⁰! Esto hace que haya que buscar en líneas de detección totalmente distintas. Los candidatos más plausibles hoy en día son:

• -Axiones. Se trataría de un candidato muy, muy ligero con una masa (medida en electrónvoltios) en el entorno de 25µeV, es decir, 10 órdenes de magnitud (10¹⁰) menos pesado que el electrón, por lo que podemos hacernos una idea de lo complicada que puede ser de su detección.

El axión es una de las opciones preferidas por los físicos debido a que con él se explicarían algunas cuestiones pendientes del Modelo Estándar (teoría más aceptada por la ciencia actual mediante la cual se describen las partículas fundamentales y tres de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza: electromagnética, nuclear fuerte y débil). Es el candidato preferido, pues con él se resolverían dos importantes problemas de la física actual, explicar la conservación de la simetría CP y la materia oscura.

• -Agujeros negros primordiales. Estos en teoría serían los candidatos a materia oscura más pesados, del orden de 10¹² kg (masa aproximada de un asteroide pero que su tamaño sería de micras debido a su altísima densidad, como agujeros negros que son). No los hemos de confundir con los agujeros negros astrofísicos que se forman tras la muerte de una estrella. Los agujeros negros primordiales se formaron justo después del Big Bang, en las primeras etapas de vida de nuestro universo cuando todo estaba constituido por una especie de plasma con muy alta densidad y presión; en esas condiciones cualquier pequeña fluctuación hubiera podido originarlos y que tras la rápida expansión y enfriamiento del universo hubieran quedado distribuidos de una manera que hubieran contribuido a la actual configuración del cosmos.

• -WIMPs. Weakly Interacting Massive Particles (Partículas Masivas débilmente interactuantes) Son partículas hipotéticas que también estarían presentes en el plasma primordial generado tras el Bing Bang y en equilibrio térmico con él, suponiéndose que interactuando principalmente con la gravedad y la fuerza nuclear débil, pero no con la nuclear fuerte o el electromagnetismo. En ese plasma primigenio, los WIMPs se creaban y se aniquilaban entre sí, como casi todas las partículas que allí existían, hasta que el plasma empezó a enfriarse y los WIMPs dejaron de producirse; como el universo se siguió expandiendo estas partículas dejaron de aniquilarse ya que era mucho más difícil que se encontrasen. Teóricamente se ha calculado las partículas que quedan remanentes en la actualidad y casualmente encaja perfectamente con la cantidad de materia oscura que se supone que existe. ¡Es una gran casualidad y a esto se le ha llamado el milagro WIMP!

No debemos de olvidar que se trata de teorías y que ninguna de esas partículas ha sido descubierta todavía, y ahí es donde entra la Universidad Politécnica de Cartagena y su investigación comandada por Alejandro Díaz del Grupo de Electromagnetismo y Materia de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Telecomunicación. Actualmente están colaborando con otras instituciones para el desarrollo de instrumentos capaces de detectar los esquivos axiones (en el caso de que existan).

Existen dos métodos principales para la detección de los mencionados axiones. Uno de ellos utiliza unos instrumentos cuánticos denominados helioscopios; con ellos se intenta detectar estas partículas, cuando son emitidas por el Sol, haciéndolas pasar por un potente campo magnético y convirtiéndolas en fotones de rayos X para que sean detectadas por equipos de muy alta sensibilidad.

El otro método utiliza los haloscopios que son otro tipo de detector en los que se usan cavidades resonantes, campos magnéticos y superconductores para intentar detectar la débil señal que puede dejar un axión del halo galáctico que penetre en la cavidad y se convierta en un fotón de microondas. Los helioscopios han de apuntar al Sol en todo momento para funcionar correctamente, en cambio los haloscopios sólo han de esperar a que un axión entre en la cavidad, cosa teóricamente bastante probable puesto que la Tierra se encuentra navegando inmersa en un mar de estas partículas.

Cada segundo somos atravesados por miles de millones de axiones y estos no interactúan con nada, no podemos verlos, no podemos sentirlos; pero necesitamos demostrar su existencia para comprender mejor nuestro mundo. Estamos buscando algo sobre lo que hasta ahora sólo hemos podido teorizar ya que desconocemos sus características, sólo sabemos que estas deben de estar dentro de un rango. Su búsqueda es algo parecido a intentar coger una mosquilla del vinagre en una habitación totalmente a oscuras utilizando un dedal. Aunque se trata de un reto muy complicado no perdemos la esperanza de que algún día podamos detectarlos, y ya que estamos deseando cosas, sería genial que lo hiciese el equipo de la UPCT.