Al menos, el 90 por 100 de la materia que compone el universo está en una forma que no se puede detectar, ya que no emite luz visible u otra radiación.

Se trata de la materia oscura.

Pese a que no son capaces de verla, los astrónomos saben que está ahí, a causa de los efectos gravitatorios que ejerce sobre la curva de rotación de las galaxias.


¿Pero de qué está compuesta la materia oscura? Los astrónomos barajan cuatro posibilidades: de neutrinos, partículas subatómicas sin carga eléctrica ni masa; de WIMPs, partículas masivas de interacción débil; de MACHOs, planetas enormes con poca masa o estrellas enanas blancas hechas de materia ordinaria, y de agujeros negros.

Un equipo internacional de astrónomos, con la participación de científicos del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) y de la Universidad de La Laguna, ha determinado por primera vez la cantidad de materia oscura que se necesitó en los orígenes del Universo para la formación de galaxias como la Vía Láctea.


Según sus datos la cifra asciende a unos trescientos mil millones de veces la masa del Sol. Esta conclusión, recogida en un artículo publicado en el último número de la revista Nature, constituye el primer paso para comprender mejor el papel que juega la materia oscura, una forma de materia jamás observada por un telescopio. El equipo ha realizado el hallazgo usando los datos del mayor telescopio espacial en funcionamiento, el Observatorio Espacial Herschel de la Agencia Espacial Europea (ESA).


Galaxias como la Vía Láctea se formaron hace miles de millones de años a partir de nubes de gas que colapsaron por la fuerza de la gravedad. La intensidad de este proceso es clave para la formación o no de la galaxia y, en este punto, la materia oscura es un factor decisivo: "Si se empieza la formación de una galaxia con poca materia oscura, entonces la galaxia no llega a crearse. En cambio, si se cuenta con la cantidad adecuada, surgirá una galaxia llena de nuevas estrellas", señala la investigadora de la Universidad de California y líder del estudio, Asantha Cooray. Esa cantidad precisa que completa la receta es de trescientos mil millones de veces la masa del Sol. Ésta última, a su vez, es más de un millón de veces mayor que la de la Tierra.


¿Cómo interviene la materia oscura en la formación de las galaxias? Según explican los autores, se piensa que las galaxias en el universo primitivo se formaron en puntos donde existían halos de materia oscura. Estos halos actuarían como pozos que acumulan y atraen hacia su interior grandes cantidades de gas y polvo, los otros ingredientes necesarios para formar galaxias. La densidad de gas y polvo aumenta hasta colapsar a medida que caen en esos halos de materia oscura. Gracias a este fenómeno, surgen las estrellas y eventualmente una galaxia. O más de una, siempre que haya suficiente materia oscura en el mismo halo. De hecho, las imágenes de Herschel han revelado también que hay un gran agrupamiento de las galaxias, mayor que el que se conocía previamente.

El hallazgo del equipo de astrónomos también deja patente lo abundante que es la materia oscura en el Universo. La materia normal, aquella que está presente en el cuerpo humano, los planetas, las estrellas y las galaxias, tiene una presencia cinco veces menor. Con todo, los telescopios nunca la han logrado detectar y su existencia sólo se deduce a partir de la influencia de su gravedad sobre la materia que sí emite luz.


Para abordar una investigación sobre la materia que no se ve, el equipo trabajó con Herschel, el mayor telescopio espacial en funcionamiento, lanzado al espacio en mayo de 2009. El dispositivo, de 3.5 metros de diámetro, detecta luz en el rango del infrarrojo lejano, a longitudes de onda unas mil veces mayores que las de la luz visible, la que ve el ojo humano y estudian los telescopios tradicionales. Esta capacidad le ha permitido estudiar una gran diversidad de objetos cósmicos, desde asteroides y planetas en nuestro sistema solar hasta galaxias muy lejanas.

Para todos los fans de la materia oscura y de la energía oscura ahí afuera, ahora hay un nuevo "oscuridad" para añadir a la lista. Se llama "deglución oscura", e involucra un proceso que puede explicar cómo pudieron formarse los agujeros negros súper masivos en el universo temprano.


La imagen de HST WFPC2 por lensing gravitatorio del cúmulo galáctico Abell 2218
muestra la presencia de gran cantidad de materia oscura.

Los astrónomos de la University College of London (UCL) proponen que la "deglución oscura" ocurrió cuando había interacciones gravitatorias entre el halo invisible de materia oscura en un cúmulo de galaxias y el gas presente en el halo de materia oscura. Esto ocurría cuando el universo tenía menos de mil millones de años. Descubrieron que las interacciones causan que la materia oscura forme una masa central compacta, que podría ser gravitatoriamente inestable, y colapsar. El rápido colapso dinámico es la deglución oscura.

El Dr. Curtis Saxton y el profesor Kinwah Wu, ambos del Laboratorio Mullard de Ciencia Espacial de la UCL, desarrollaron un modelo para estudiar el proceso. Dicen que la deglución oscura habría ocurrido muy rápidamente, sin dejar rastros de la radiación electromagnética emitida.

Hay varias teorías sobre cómo se forman los agujeros negros súper masivos. Una posibilidad es que colapse una grande y única nube de gas. Otra es que un agujero negro formado por el colapso de una estrella gigante se trague enormes cantidades de materia. Otra posibilidad es que se fusione un grupo de pequeños agujeros negros. Sin embargo, todas estas opciones ocurren en millones de años y están en desacuerdo con las recientes observaciones que sugieren que los agujeros negros estaban presentes cuando el universo tenía menos de mil millones de años. La deglución oscura puede proporcionar una solución a cómo fue sorteada la lentitud de la acreción del gas, permitiendo el rápido surgimiento de agujeros negros gigantes. La masa oscura afectada en el núcleo compacto es compatible con la escala de los agujeros negros súper masivos en las galaxias hoy.

La materia oscura parece dominar gravitatoriamente la dinámica de las galaxias y de los cúmulos galácticos. Sin embargo, todavía hay muchas conjeturas sobre el origen, propiedades y distribución de las partículas oscuras. Mientras parece que la materia oscura no interactúa con la luz, sí interactúa con la materia corriente por medio de la gravedad.

De acuerdo con el modelo, es inevitable el desarrollo de una masa compacta en el núcleo. El enfriamiento por el gas produce que fluya suavemente hacia el centro. El gas puede tener hasta 10 millones de grados en las afueras de los halos, que tienen unos pocos millones de años-luz de diámetro, con una zona más fresca hacia el núcleo que rodea un interior más caliente de unos cuantos miles de años-luz de ancho. El gas no se enfría indefinidamente, pero llega a una temperatura mínima, que coincide con las observaciones de rayos-X de cúmulos galácticos.

El modelo también investiga en cuántas dimensiones se mueven las partículas oscuras, ya que éstas determinan la velocidad de expansión del halo oscuro, y de absorción y emisión de calor, y en última instancia afectan la distribución de la masa oscura en el sistema.

Las conclusiones han sido publicadas en las Noticias Mensuales de la Royal Astronomical Society.

Fuente: Universe Today. Aportado por Graciela Lorenzo Tillard

A fines de la década de 1990, tras comprobarse de manera razonablemente fehaciente que la expansión del universo se está acelerando en vez de ralentizarse como debería suceder por acción de la fuerza de gravedad, se tuvo que aceptar que, salvo errores en la física hoy aceptada como válida, debe haber una fuerza que contrarresta esos efectos de la gravedad. A tal fuerza misteriosa se le dio el nombre de Energía Oscura, por cuanto no hay aún nada claro sobre ella.


Comparación (en colores falsos) entre la distribución de la materia normal (en rojo, a la izquierda) en el universo y la de la materia oscura (en azul, a la derecha). Foto: NASA, ESA, R. Massey (California Institute of Technology).

Por otra parte, tampoco salen las cuentas al hacer balance de la estructura, pautas de formación y movimientos de las galaxias, y comparar todo eso con la fuerza de gravedad ejercida por la materia conocida. Resulta que la gravedad necesaria para explicar lo que vemos es muchísimo mayor que la generada por la materia conocida o estimada, incluyendo la que de por sí es visible (como las estrellas), y la no visible directamente (como los agujeros negros). A esta materia indetectable pero capaz de ejercer gravedad, se la llama "materia oscura".


Distribución de la materia oscura en el universo hace 6.500 millones de años. Foto: NASA, ESA, R. Massey (California Institute of Technology).

La materia oscura podría ser materia normal presente en el universo bajo una forma cuya abundancia hubiera sido subestimada de manera tremenda, por ejemplo enanas marrones (planetas con una masa algo menor que la mínima necesaria para que se conviertan en estrellas). O bien materia exótica, constituida por partículas teóricas. Está descartado que se trate de antimateria.

La materia oscura es mucho más abundante en el universo que la materia normal. Y la energía oscura también tiene un papel dominante. Es decir, que el universo que conocemos es sólo una pequeña parte (se barajan porcentajes del orden del 5 por ciento para la materia normal del universo), en tanto que lo desconocido, o Lo Oscuro, constituye la mayor parte.


Diagrama con la distribución tridimensional de la materia oscura en el universo. Foto: NASA, ESA, R. Massey (California Institute of Technology).

El aire siniestro que inevitablemente tienen los términos "Energía Oscura" y "Materia Oscura", así como la más bien súbita entrada en escena de ambos conceptos, han propiciado no pocas anécdotas, sobre todo cuando comenzaron a ser divulgados.

Una anécdota de ese tipo que me ocurrió a mí en aquella época fue la de un escéptico que me escribió un email furibundo porque, según él, yo mezclaba esoterismo con ciencia por el hecho de hablar de Energía Oscura en un artículo que escribí sobre el concepto. Al principio, me costó entender a qué se refería, hasta que al ir leyendo su mensaje me di cuenta de que lo que pasaba era que el sujeto, que no se había molestado en leer mi artículo, ignoraba el significado científico de "Energía Oscura" y se creía que yo hablaba de las Fuerzas del Mal en el cosmos, o de Malas Vibraciones en el universo. ¿Qué hice? Decidí no responderle y dejarle así con su ignorancia, para que fuese haciendo el ridículo por ahí, atacando a la gente del mundillo astrofísico a la que oyera o leyera usar el término, hasta que alguien le convenciera de que no había un número alarmantemente creciente de astrofísicos que se estuvieran volviendo esotéricos, sino que el término era técnico y no tenía nada que ver con lo satánico.

Más anécdotas parecidas a esa me temo que van a producirse ahora por culpa del nuevo acrónimo ALMA (Atacama Large Millimeter-submillimeter Array), el nombre de un conjunto de radiotelescopios ubicado en el desierto de Atacama. Los escépticos más incultos y paranoicos pueden tachar de esotéricos artículos de divulgación científica que tengan la mala fortuna de comenzar diciendo algo así como "Usando el ALMA, un astrónomo descubre un nuevo sistema planetario en formación", pues creerán que un supuesto astrónomo pretende haber descubierto algo gracias a los poderes de su alma o a un viaje astral o algo así.

El astrónomo Rafael Bachiller nos descubre en esta serie los fenómenos más espectaculares del Cosmos. Temas de palpitante investigación, aventuras astronómicas y novedades científicas sobre el Universo analizadas con profundidad.


Recreación de una galaxia enana vista desde un exoplaneta.

Un nuevo trabajo, realizado por el astrónomo norteamericano Matt Walker y el español Jorge Peñarrubia, muestra que la materia oscura está distribuida de manera uniforme en las galaxias enanas. Esto parece indicar que la materia oscura es menos fría de lo que se pensaba hasta ahora.

La materia oscura es el ingrediente principal de todas las galaxias, pero su naturaleza (junto con el de la energía oscura) sigue siendo uno de los mayores misterios de la física contemporánea. Aunque la materia oscura nunca ha sido observada de manera directa, su existencia resulta imprescindible para que las estrellas se mantengan agrupadas en una galaxia o para que las galaxias permanezcan asociadas en cúmulos. Las observaciones astronómicas indican que casi una cuarta parte del Universo actual está constituido por esta materia oscura. En las galaxias enanas, la materia oscura puede llegar a constituir el 99 % de su masa total.


La composición del Universo.

Aunque nadie sabe a ciencia cierta qué es la materia oscura, la opinión generalizada es que está constituida por partículas, más o menos exóticas, que están sujetas a la fuerza de la gravedad y que tienen poca agitación térmica, por eso se suele hablar de ‘materia oscura fría’.

En el modelo cosmológico estándar (denominado 'Lambda-CDM'), tras la Gran Explosión (Big Bang) la materia oscura forma grandes nubes que, al interactuar con la materia ordinaria, forma las galaxias. La evolución que sigue el Universo según este modelo puede simularse mediante cálculos numéricos en potentes ordenadores llevando a la predicción, entre muchas otras, que la concentración de materia oscura debe aumentar conforme nos acercamos al centro de las galaxias.

Para verificar esta predicción de la teoría del Big Bang, los astrónomos Matt Walker (Universidd de Harvard) y el español Jorge Peñarrubia (antes en la Universidad de Cambridge y ahora en el Instituto de Astrofísica de Andalucía) han analizado la distribución de materia oscura en dos de las galaxias esferoidales enanas más próximas de la Vía Láctea: las situadas en las constelaciones australes de Fornax (el Horno) y de Sculptor (el Escultor). Cada una de estas galaxias contiene entre uno y diez millones de estrellas, un número muy modesto cuando se compara con los 400.000 millones que contiene la Vía Láctea.


La galaxia enana de Fornax.

Su proximidad, que permite alcanzar un mayor detalle en las observaciones, y su alto contenido en materia oscura, que acentúa sus efectos gravitatorios, hace de las galaxias de Fornax y Sculptor unos candidatos ideales para llevar a cabo un estudio de este tipo. Sin embargo, según reconoce el propio Peñarrubia, las estrellas se mueven en el seno de estas galaxias como “abejas en un panal” y no siguen las órbitas mucho más ordenadas que llevan en las galaxias espirales. Ello complica enormemente las medidas de la masa en diferentes regiones de las galaxias enanas.

Walker y Peñarrubia midieron las posiciones, velocidades y composiciones químicas de varios miles de estrellas y, gracias a estos datos, han llegado a demostrar que en ambas galaxias la materia oscura está distribuida de manera bastante uniforme sobre extensiones de varios centenares de años-luz. En ninguna de las dos galaxias encontraron que la concentración de materia oscura aumente conforme nos acercamos a sus regiones centrales, contradiciendo así algunas predicciones de la teoría estándar del Big Bang.


Distribución de materia oscura en el cúmulo Abell2744.

Las implicaciones de este trabajo tienen un gran alcance. Una posibilidad es que haya alguna interacción desconocida (y suficientemente intensa) entre la materia ordinaria y la oscura que propicie una redistribución de esta última desde el centro hacia las regiones más externas de las galaxias. Pero tampoco puede descartarse que quede algún fenómeno básico aún por comprender en la teoría del Big Bang. Es cierto que la versión estándar de esta teoría (‘Lambda-CDM’) tiene dificultades para describir la distribución de masa en los cúmulos de galaxias y en el interior de las galaxias individuales. Sin embargo, el éxito de la teoría del Big Bang describiendo la distribución del Universo a gran escala está fuera de toda duda.

En opinión de Peñarrubia, los nuevos resultados sugieren que la materia oscura quizás no sea 'fría', pues una cierta agitación térmica en el seno de esta materia podría explicar su distribución uniforme en galaxias. Naturalmente, el estudio de un número mayor de galaxias con diferentes características llevará a encontrar más pistas sobre la naturaleza de esta enigmática substancia.

Este trabajo ha sido publicado en el número de octubre de la prestigiosa revista estadounidense The Astrophysical Journal. El manuscrito del artículo puede consultarse aquí.


Al igual que todas las galaxias, la Vía Láctea es el hogar de una extraña sustancia llamada materia oscura. La materia oscura es invisible, y su existencia solo se hace presente a través de su atracción gravitacional. Sin la materia oscura manteniéndolo todo unido, las estrellas de nuestra galaxia saldrían disparadas en todas direcciones. La naturaleza de la materia oscura es un misterio, un misterio en el que un nuevo estudio ha profundizado ahora.

El modelo cosmológico estándar describe un universo dominado por la energía y materia oscura. La mayoría de los astrónomos suponen que la materia oscura consiste en ‘frías’ (es decir, de movimiento lento) partículas exóticas que se agrupan por la gravedad. Con el tiempo estos cúmulos de materia oscura van creciendo y atrayendo materia normal, ayudando a la formación de las galaxias que vemos hoy en día.

Los cosmólogos utilizan potentes ordenadores para simular este proceso. Las simulaciones muestran que la materia oscura debe ser densa en el centro de las galaxias. En cambio, las nuevas mediciones de dos galaxias enanas muestran que contienen una distribución homogénea de materia oscura. Esto sugiere que el modelo cosmológico estándar puede estar equivocado.

Las galaxias enanas están compuestas de hasta 99 por ciento de materia oscura y sólo un uno por ciento de materia normal como estrellas. Esta disparidad hace de las galaxias enanas objetivos ideales para los astrónomos que buscan entender la materia oscura.

Walker y el co-autor Jorge Peñarrubia de la Universidad de Cambridge, Reino Unido) analizaron la distribución de materia oscura en dos vecinas de la Vía Láctea: las galaxias de Fornax y del Escultor. Estas galaxias tienen de un millón a 10 millones de estrellas, en comparación con las alrededor de 400 millones de nuestra galaxia. El equipo midió las posiciones, velocidades y composición química básica de 1500 a 2500 estrellas.

Sus datos mostraron que en ambos casos, la materia oscura está distribuida uniformemente sobre una región relativamente grande, de varios cientos de años luz de diámetro. Esto contradice la predicción de que la densidad de materia oscura debería aumentar de forma pronunciada hacia los centros de estas galaxias.

Algunos han sugerido que interacciones entre materia normal y oscura podrían extenderse a la materia oscura, pero las simulaciones actuales no indican que esto ocurra en las galaxias enanas. Las nuevas medidas implican que la materia normal afecta a la materia oscura más de lo esperado, o la materia oscura no es tan ‘ fría’ como se creía. El equipo espera determinar cual de las dos hipótesis es cierta con el estudio de más galaxias enanas, en particular, galaxias, con un porcentaje aún mayor de materia oscura.

El artículo sobre esta investigación fue aceptado para su publicación en The Astrophysical Journal y está disponible online.

Con sede en Cambridge, Massachusetts, el Centro Harvard-Smithsoniano para Astrofísica (CfA) es una colaboración conjunta entre el Observatorio Astrofísico Smithsoniano y el Observatorio del Harvard College. Los científicos del CfA, organizados en seis divisiones de investigación, estudian el origen, evolución y destino último del universo.