Enigma de la masa faltante: Materia Oscura y Energía Oscura

Materia oscura y energía oscura en el cosmos — Los análisis del cielo por WMAP indican que el Universo tiene 13.8 mil millones de años (con una precisión del 1%), que está compuesto por 68.3% de energía oscura, 26.8% de materia oscura fría y solo 4.9% de átomos. Mapa de la radiación cósmica de fondo de microondas que data de aproximadamente 380,000 años después del Big Bang. Los colores son artificiales y muestran pequeñas variaciones de temperatura. Fuente de la imagen: (dominio público) Equipo científico WMAP, NASA

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)
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 (nueva ventana), 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
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) (nueva ventana), Colaboración LUX-ZEPLIN (2022) (nueva ventana), Revisión de Materia Oscura Difusa (2020) (nueva ventana).

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
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) (nueva ventana), ESA Euclid (nueva ventana), Verlinde (2011) – Gravity as an Emergent Phenomenon (nueva ventana).