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Última actualización 1 de agosto de 2025

Enigma de la masa faltante: Materia Oscura y Energía Oscura

Materia oscura y energía oscura en el cosmos

El misterio del 95% de materia y energía invisibles

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.

Tabla resumen de los componentes del universo

Composición estimada del universo (Planck 2018)
ComponenteProporciónNaturaleza físicaMétodo de detección
Materia bariónica4.9%Átomos, plasma, polvoEmisión, absorción, luz visible, rayos X
Materia oscura26.8%Desconocida (WIMPs? axiones? neutrinos?)Efectos gravitacionales (lentitud de las velocidades de rotación galáctica, lentes gravitacionales)
Energía oscura68.3%Desconocida (vacío cuántico? constante cosmológica?)Aceleración de la expansión cósmica, supernovas Ia

Fuente: Misión ESA Planck, Resultados 2018.

Materia oscura: un halo gravitacional invisible

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.

Teorías sobre la naturaleza de la materia oscura

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.

Hipótesis teóricas sobre la materia oscura
CandidatoNaturalezaOrigen teóricoEstado experimental
WIMPsPartículas masivas de interacción débilSupersimetría (SUSY), neutralinosNo detectadas (XENONnT, LUX-ZEPLIN)
AxionesPartículas muy ligeras, pseudoescalaresTeoría de Peccei-Quinn, QCDBúsquedas en curso (ADMX, MADMAX)
Neutrinos estérilesNeutrinos inertes que interactúan solo por gravedadExtensión del modelo estándarNo confirmados, pero compatibles con ciertas anomalías
Materia oscura autointeractiva (SIDM)Partículas que se aniquilan o dispersan entre síModelos de estructura galácticaPruebas en perfiles de densidad de cúmulos
Materia oscura ultraligera (Fuzzy DM)Bosones con masa ~\(10^{-22}\) eVCondensado de Bose-Einstein cosmológicoEfectos en halos a gran escala
MACHOsObjetos astrofísicos compactos no luminososAgujeros negros, enanas marrones, estrellas muertasExcluidos para la mayoría de la materia oscura (microlentes)
MOND / TeVeSModificaciones de la dinámica newtonianaTeorías alternativas a la materia oscuraIncapacidad para reproducir las lentes gravitacionales
Partículas del sector oscuroPartículas que interactúan a través de fuerzas no estándar (ej. fotones oscuros)Extensiones del Modelo Estándar, a veces de la teoría de cuerdasInteracciones muy débiles con nuestro sector, búsquedas indirectas en curso
Agujeros negros primordiales (PBH)Agujeros negros formados durante la era inflacionariaModelos de inflación con fluctuaciones de densidad localesMicrolentes gravitacionales, ondas gravitacionales (LIGO/Virgo)
Materia espejoRéplica del Modelo Estándar en un sector espejoInspiración por simetría \(\mathbb{Z}_2\), respeto a la paridadPotencialmente detectable a través de oscilaciones de neutrinos o efectos térmicos

Fuentes: Bertone & Tait (2018), Colaboración LUX-ZEPLIN (2022), Revisión de Materia Oscura Difusa (2020).

Energía oscura: la fuerza de la aceleración cósmica

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.

Teorías sobre la naturaleza de la energía oscura

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.

Hipótesis teóricas sobre la energía oscura
ModeloDescripciónComponente (\(w\))Pruebas experimentales
Constante cosmológica (\(\Lambda\))Energía del vacío, densidad constante\(w = -1\)Acuerdo con datos de Planck, SDSS, SN Ia
QuintessenciaCampo escalar dinámico con potencial lento\(-1 < w < -\frac{1}{3}\)Proyectos Euclid, DESI, LSST
Energía fantasmaCampo de energía negativa\(w < -1\)Conduciría al escenario del Big Rip
k-essenciaCampo escalar con cinética no estándarVariable, depende de la dinámicaPredicciones para Euclid y LSST
Gravedad modificada (f(R), DGP...)Modificación de la relatividad general a gran escalaNo definido \(w\) (efecto geométrico)Pruebas sobre la formación de grandes estructuras
Retroacción cosmológicaEfecto emergente de las inhomogeneidades gravitacionalesNo fluido, sino geometría mediaMuy difícil de modelar, sin consenso
Energía oscura emergente (Gravedad entrópica)Gravedad y aceleración como fenómenos termodinámicosNo \(w\) clásicoTeoría 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 cosmológicoPruebas en CMB, formación de estructuras, próximo LSST
Campos vectoriales oscurosVectores dinámicos responsables de la aceleración de la expansión\( w(t) \) variable según el campoModelos probables por anisotropías del fondo difuso
Teoría de interacciones retardadasEl efecto de la materia sobre la geometría del espacio-tiempo no es instantáneoNo fluido, efecto de memoria o retardado de la materia ordinariaHipótesis especulativa, difícilmente probable experimentalmente

Fuentes: Copeland et al. (2006), ESA Euclid, Verlinde (2011) – Gravity as an Emergent Phenomenon.

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