Componen alrededor del 95% del universo, según estimaciones. Materia oscura y energía oscura. Son sendos intentos por explicar observaciones aparentemente contradictorias y que si bien ambas pertenecen al ámbito de la Cosmología, han sido propuestas por causas totalmente diferentes y poco tienen que ver la una con la otra. Además del adjetivo 'oscura' tienen en común que desconocemos su causa real.

 Veamos a continuación las claves del problema y en qué consiste cada una de ellas, por separado. En esta primera parte, hablaremos sobre la materia oscura y dejaremos la energía oscura para una próxima entrada. 

Las galaxias están compuestas de estrellas que contribuyen con su masa a la misma y hacen que ésta se mueva como un todo. La velocidad de rotación está íntimamente relacionada con la masa que éstas tengan y la razón es una ley fundamental del universo: la conservación del momento angular. El momento angular hace -entre otras cosas- que los objetos que giran tiendan a conservar el plano de rotación. Así, cuanto más momento angular tiene un cuerpo en rotación, más difícil es obligarlo a que modifique el plano en el que se encuentra su eje de rotación. En un sólido rígido, el momento angular es proporcional a la masa, a la frecuencia de giro y a la distancia del objeto al eje de rotación. Esto hace que si el objeto se acerca más al eje de rotación, aumente su velocidad orbital. O visto desde otro punto de vista: si disminuye el radio, tiene que aumentar la velocidad orbital. Gracias a ello podríamos "pesar" las galaxias observando la velocidad a la que rotan sobre sí mismas. 

El problema viene cuando este valor de la masa calculada mediante la velocidad de rotación es enormemente grande comparado con el medido por otros medios, como podrían ser, sumando las masas de las estrellas que hay en su interior. En concreto, las mediciones indican que para tener esa velocidad de rotación, las galaxias espirales tienen una masa tal que las estrellas representan en torno al 1% del total. ¿De dónde sále el 99% de la masa restante? Es decir, se trata de averiguar por qué las galaxias tienen una velocidad de rotación que en absoluto se corresponde con la que deberían tener. Fritz Zwicky fue el primero en darse cuenta de este hecho, en los años 30 del siglo pasado. Midiendo la curva de rotación de galaxias espirales se encontró con que el valor predicho difería significativamente del valor obtenido con mediciones precisas.

La curva de rotación representa en el eje vertical la velocidad de rotación y en el horizontal, la distancia al centro de la galaxia. La idea intuitiva es que cuanto más cerca del centro galáctico mayor sería la velocidad y conforme nos alejamos, vaya disminuyendo. Esta sería la situación considerando que la dinámica del sistema está de acuerdo con las leyes de Newton. Pero lo observado, como podemos ver en la siguiente imagen:

es que de hecho, las estrellas mantienen una velocidad orbital más o menos uniforme conforme se alejan del núcleo galáctico. Esto es inexplicable salvo que se admita la presencia de algún tipo de materia indetectable que aporte la masa que no vemos. Y es precisamente esto lo que le da nombre a la materia oscura. Es un tipo de materia que no interacciona electromagnéticamente o, si lo hace, es tan débil que se confunde con la radiación de fondo de microondas: un tipo de radiación electromagnética muy fría y de baja frecuencia que impregna todo el universo, como residuo del Big Bang. La materia oscura, a día de hoy, no posee ninguna alternativa viable a la explicación que acabo de contar. 

Se clasifica en dos subtipos diferentes: materia oscura bariónica y materia oscura no bariónica.

La primera, estaría compuesta por electrones, protones y neutrones. Los candidatos a ser materia oscura bariónica son gases que no emiten radiación electromagnética detectable, estrellas muy frías, etcétera. La cantidad de materia oscura de este tipo se puede calcular mediante observaciones del fondo de microondas. No obstante, teóricamente se supone que representa una pequeña parte del total de materia oscura debido a que si hubiera una gran cantidad de materia oscura bariónica en el universo joven (cuando la densidad era elevada) entonces deberíamos observar una mayor cantidad de deuterio (isótopo del hidrógeno formado por un protón y un neutrón en el núcleo, con un electrón orbitando) en el universo. Ya que al estar formada por protones, neutrones y electrones, habría dado lugar a una mayor cantidad de deuterio del que hay. La razón de la preferencia del deuterio sería que el núcleo, al estar compuesto por un protón y un neutrón, tendría más posibilidades de formarse que otras configuraciones alternativas como ya se habló en este artículo. Por tanto, la mayor cantidad de materia oscura sería materia oscura no bariónica. Ésta se divide a su vez en dos tipos distintos:

• Materia oscura caliente
• Materia oscura fría

La materia oscura caliente estaría formada por materia no bariónica que se desplaza a velocidades muy cercanas a la de la luz. Los candidatos principales a formar este tipo de materia oscura son los neutrinos. Estas partículas que interaccionan únicamente mediante la fuerza débil, tienen una masa extremadamente pequeña comparada con cualquier otra partícula con masa que se conozca. Sin embargo, se supone que en cantidades cosmológicas podrían aportar la masa necesaria. Al interaccionar débilmente, son casi indetectables lo cual los hace ser candidatos preferentes. Además de los neutrinos, existirían otras partículas propuestas para formar parte de este tipo de materia oscura: los axiones (un tipo de partícula que se postuló para explicar la simetría de la carga-paridad y que tendría una masa 50 veces mayor al electrón y una vida media del orden de 10^-13 segundos) y los WIMPs (partículas masivas de interacción débil). 

Sin embargo, la materia oscura caliente no puede explicar la formación de las galaxias desde un estado donde las partículas se encontraban prácticamente libres. Para explicar la estructura del universo hace falta la materia oscura fría. Fue propuesta precisamente para solventar el problema de la estructura galáctica. Suponiendo que en el instante inicial existieron ciertas fluctuaciones, dependiendo de cómo sea la distribución inicial cambia la forma en la que estas fluctuaciones se propagan y se amplifican. Así, si toda la materia oscura fuese caliente, nunca se habrían formado estructuras complejas porque las fluctuaciones ocurren a una escala energética menor. Así, la formación seguiría una estructura de arriba a abajo. Es decir, primero se formarían supercúmulos que se irían fragmentando en estructuras más sencillas. En cambio si admitimos la existencia de materia oscura fría, se sigue una estructura abajo-arriba: de estructuras más sencillas que van agregándose y forman otras más complejas. Lo cual, concuerda más con la visión que tenemos del universo.

 Así pues, el mayor reto con la materia oscura es su detección. Si la materia oscura no bariónica está formada por WIMPs, entonces deberíamos estar siendo atravesados por miles de millones de ellos cada segundo. Pese a todo, hasta la fecha todos los intentos por encontrar evidencias de su existencia han fracasado. Los experimentos podemos clasificarlos en experimentos de detección directa en los cuales los WIMPs son observados por detectores y experimentos de detección indirecta donde se observan como subproductos de la desintegración de materia oscura. 

Lo ideal desde luego sería poder producirlos en el laboratorio. Y qué mejor laboratorio que Gran Colisionador de Hadrones (LHC) que está terminando de ponerse a punto en el CERN para su pleno funcionamiento a lo largo de los dos próximos años. Mientras tanto, otros experimentos como el Cryogenic Dark Matter Sarch en Minnesota intentan detectar el calentamiento producido en cristales de germanio y silicio ultrafríos cuando los WIMPs colisionan con ellos. También, en el Laboratorio Nacional Gran Sasso en L'Aquila, Italia utilizan Xenon para observar la pequeña traza luminosa que quedaría cuando un WIMP impacta un núcleo de Xenon. A Marzo de 2008 el equipo está intentándolo con 150 kilogramos de Xenon después del fracaso cosechado en anteriores intentos con cantidades menores. En Octubre de 2008 se lanzará al espacio el telescopio espacial GLAST que pretende detectar en la franja del espectro correspondiente a la radiación gamma, eventos achacables a los WIMPs. Puede que su descubrimiento esté al caer.

La energía oscura será objeto de discusión en la próxima entrada.