Cuando observamos las galaxias, los cúmulos de galaxias o el fondo cósmico de microondas, una evidencia salta a la vista de los cosmólogos: las leyes de la gravedad no son suficientes para explicar las observaciones. Sin embargo, la materia visible, la que compone las estrellas, los planetas y nosotros mismos, representa solo el 4.9% del universo. El 95.1% restante está compuesto por dos entidades invisibles y misteriosas: la materia oscura y la energía oscura.
Componente | Proporción | Naturaleza física | Método de detección |
---|---|---|---|
Materia bariónica | 4.9% | Átomos, plasma, polvo | Emisión, absorción, luz visible, rayos X |
Materia oscura | 26.8% | Desconocida (WIMPs? axiones? neutrinos?) | Efectos gravitacionales (lentitud de las velocidades de rotación galáctica, lentes gravitacionales) |
Energía oscura | 68.3% | Desconocida (vacío cuántico? constante cosmológica?) | Aceleración de la expansión cósmica, supernovas Ia |
Fuente: Misión ESA Planck, Resultados 2018.
Deducida de la rotación galáctica y la dinámica de los cúmulos, la materia oscura representa aproximadamente el 26.8% de la energía total del universo. No emite, absorbe ni refleja luz. Su presencia solo se delata por sus efectos gravitacionales, como la lentitud anormal de la disminución de la velocidad de las estrellas con la distancia al centro galáctico. Se han propuesto diversas hipótesis: neutrinos masivos, axiones, WIMPs (partículas masivas de interacción débil), pero hasta ahora no se ha detectado ningún candidato.
La ausencia de detección directa de la materia oscura estimula una variedad de modelos teóricos, que van desde partículas supersimétricas hasta extensiones del campo gravitacional. Estas hipótesis buscan explicar sus propiedades: gravitacional pero no electromagnética, masiva pero no visible.
Candidato | Naturaleza | Origen teórico | Estado experimental |
---|---|---|---|
WIMPs | Partículas masivas de interacción débil | Supersimetría (SUSY), neutralinos | No detectadas (XENONnT, LUX-ZEPLIN) |
Axiones | Partículas muy ligeras, pseudoescalares | Teoría de Peccei-Quinn, QCD | Búsquedas en curso (ADMX, MADMAX) |
Neutrinos estériles | Neutrinos inertes que interactúan solo por gravedad | Extensión del modelo estándar | No confirmados, pero compatibles con ciertas anomalías |
Materia oscura autointeractiva (SIDM) | Partículas que se aniquilan o dispersan entre sí | Modelos de estructura galáctica | Pruebas en perfiles de densidad de cúmulos |
Materia oscura ultraligera (Fuzzy DM) | Bosones con masa ~\(10^{-22}\) eV | Condensado de Bose-Einstein cosmológico | Efectos en halos a gran escala |
MACHOs | Objetos astrofísicos compactos no luminosos | Agujeros negros, enanas marrones, estrellas muertas | Excluidos para la mayoría de la materia oscura (microlentes) |
MOND / TeVeS | Modificaciones de la dinámica newtoniana | Teorías alternativas a la materia oscura | Incapacidad para reproducir las lentes gravitacionales |
Partículas del sector oscuro | Partículas que interactúan a través de fuerzas no estándar (ej. fotones oscuros) | Extensiones del Modelo Estándar, a veces de la teoría de cuerdas | Interacciones muy débiles con nuestro sector, búsquedas indirectas en curso |
Agujeros negros primordiales (PBH) | Agujeros negros formados durante la era inflacionaria | Modelos de inflación con fluctuaciones de densidad locales | Microlentes gravitacionales, ondas gravitacionales (LIGO/Virgo) |
Materia espejo | Réplica del Modelo Estándar en un sector espejo | Inspiración por simetría \(\mathbb{Z}_2\), respeto a la paridad | Potencialmente detectable a través de oscilaciones de neutrinos o efectos térmicos |
Fuentes: Bertone & Tait (2018), Colaboración LUX-ZEPLIN (2022), Revisión de Materia Oscura Difusa (2020).
Descubierta indirectamente por el estudio de supernovas de tipo Ia en los años 90, la energía oscura representaría el 68.3% del universo. Sería responsable de la aceleración de la expansión cósmica, como una forma de antigravedad cósmica. Modelada por la constante cosmológica \(\Lambda\) en las ecuaciones de Einstein, desafía nuestra comprensión de los campos cuánticos y el vacío mismo. La densidad de esta energía parece permanecer constante en el tiempo, lo que hace que su origen sea profundamente enigmático.
La energía oscura es uno de los mayores misterios de la cosmología. Varios modelos buscan explicar su efecto repulsivo sobre la expansión del espacio, ya sea como una propiedad intrínseca del vacío o como una manifestación de una dinámica más profunda o geométrica del universo.
Modelo | Descripción | Componente (\(w\)) | Pruebas experimentales |
---|---|---|---|
Constante cosmológica (\(\Lambda\)) | Energía del vacío, densidad constante | \(w = -1\) | Acuerdo con datos de Planck, SDSS, SN Ia |
Quintessencia | Campo escalar dinámico con potencial lento | \(-1 < w < -\frac{1}{3}\) | Proyectos Euclid, DESI, LSST |
Energía fantasma | Campo de energía negativa | \(w < -1\) | Conduciría al escenario del Big Rip |
k-essencia | Campo escalar con cinética no estándar | Variable, depende de la dinámica | Predicciones para Euclid y LSST |
Gravedad modificada (f(R), DGP...) | Modificación de la relatividad general a gran escala | No definido \(w\) (efecto geométrico) | Pruebas sobre la formación de grandes estructuras |
Retroacción cosmológica | Efecto emergente de las inhomogeneidades gravitacionales | No fluido, sino geometría media | Muy difícil de modelar, sin consenso |
Energía oscura emergente (Gravedad entrópica) | Gravedad y aceleración como fenómenos termodinámicos | No \(w\) clásico | Teoría especulativa, sin predicciones precisas |
Modelos holográficos (HDE) | La energía oscura surge de un principio holográfico sobre la densidad de información | \( w \approx -1 \), depende del radio cosmológico | Pruebas en CMB, formación de estructuras, próximo LSST |
Campos vectoriales oscuros | Vectores dinámicos responsables de la aceleración de la expansión | \( w(t) \) variable según el campo | Modelos probables por anisotropías del fondo difuso |
Teoría de interacciones retardadas | El efecto de la materia sobre la geometría del espacio-tiempo no es instantáneo | No fluido, efecto de memoria o retardado de la materia ordinaria | Hipótesis especulativa, difícilmente probable experimentalmente |
Fuentes: Copeland et al. (2006), ESA Euclid, Verlinde (2011) – Gravity as an Emergent Phenomenon.
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