¿Qué pasa con la materia oscura?

Comparación de las curvas de rotación
observadas y esperadas de la galaxia M33
(Wikipedia)

The same post in English

Hace nueve años publiqué aquí un artículo con el título Materia Oscura o Nueva Teoría. En él señalaba que el movimiento de las estrellas en las galaxias no cuadra con las predicciones teóricas. El problema puede resolverse de dos maneras:

1.      Suponiendo que en las galaxias hay mucha más masa de la que podemos ver. A la que no podemos ver se le dio el nombre de materia oscura, donde la palabra oscura significa que no sabemos lo que es.

2.      Suponiendo que es preciso corregir las leyes de Newton en la parte exterior de las galaxias, donde la aceleración de las estrellas es muy pequeña. Se han propuesto diversas correcciones a las ecuaciones de Newton que resolverían el problema de forma satisfactoria, que reciben el nombre de teorías MOND (MOdified Newtonian Dynamics).

Al desarrollar el modelo cosmológico estándar se adoptó la primera suposición, lo que llevó a calcular que la cantidad de materia oscura en el universo tiene que ser unas cinco veces mayor que la materia normal, que es la que podemos ver. El problema es que dicha materia oscura debería estar formada por partículas diferentes de las que predice el modelo estándar de física de partículas, que se aplica en el mundo microscópico. En consecuencia, por el momento, los dos modelos estándares son incompatibles.

Para desempeñar el papel de materia oscura se han propuesto distintos tipos de partículas elementales nuevas:

·         WIMP (siglas de weakly interacting massive particles), con masa muy grande, mayor que 1 Giga-electrón-Voltio (1GeV).

·         Axiones, con masa muy pequeña, menor que 1 electrón-Voltio (1eV), que deberían ser muy abundantes.

También se ha propuesto otro tipo de objetos:

·         MACHO (siglas de MAssive Compact Halo Objects), que podrían ser agujeros negros, estrellas de neutrones o estrellas enanas pardas que no formaran parte de ningún sistema planetario conocido y serían muy difíciles de localizar. En ese caso, se trataría de materia bariónica, indistinguible de la materia normal a la que estamos acostumbrados, pero imperceptible.

La última noticia es que un experimento (Lux-ZEPLIN) que comenzó en 2021, con el objetivo de buscar huellas de WIMPs en una antigua mina de oro en Dakota del Sur, ha terminado con resultado negativo. No ha sido detectada una sola partícula. Esto implica que no pueden existir WIMPs con masa superior a 9 GeV. Por lo tanto, si existen, su masa debe estar comprendida entre 1 y 9 GeV. Un nuevo experimento (XLZD) cubrirá ese hueco, y si su resultado fuese también negativo, las WIMP quedarían eliminadas.

La otra opción son las teorías MOND, que modifican las ecuaciones de Newton cuando la aceleración es muy pequeña, mientras las dejan igual cuando la aceleración tiene valores más elevados, como ocurre, por ejemplo, en el sistema solar, donde las ecuaciones de Newton están más que contrastadas, excepto en las proximidades del sol, donde hay que aplicar las correcciones relativistas. Véase en la figura, extraída de la Wikipedia, cómo se aparta la aceleración predicha por una teoría MOND de la aceleración newtoniana para aceleraciones muy bajas.

Las teorías MOND han podido ser ajustadas perfectamente a las condiciones existentes en la periferia de las galaxias, donde tienen lugar las condiciones de baja aceleración que condujeron a la propuesta de la existencia de materia oscura. Pero estas teorías tienen pendientes algunos problemas, por lo que muchos cosmólogos se niegan a aceptarlas. Esos problemas son los siguientes:

·         Hasta ahora no está claro que hayan realizado ninguna predicción acertada sorprendente que las valide. Cierto es que el modelo cosmológico estándar tampoco lo ha hecho, aunque ha sido muy bien ajustado a los datos previamente conocidos.

·         Tienen problemas para ajustarse a las ondas acústicas de la radiación cósmica de fondo, a las que el modelo cosmológico estándar sí ha sido ajustado perfectamente. En cambio, lo que se sabe sobre las galaxias más antiguas tiende a acercarse más a las predicciones de las teorías MOND que a las del modelo cosmológico estándar.

·         Aunque ha habido varios intentos de diseñar una teoría MOND relativista, hasta ahora ninguno de ellos ha sido convincente.

En un artículo anterior critiqué que la materia oscura y la energía oscura figuraran entre los mayores descubrimientos científicos del siglo XX en una lista publicada en la revista Science News. Transcurrida ya la cuarta parte del siglo XXI, ambas siguen siendo entelequias sobre las que no sabemos nada.

Más información en este artículo de PhysicsWorld.

Hilo Temático sobre Cosmología Estándar: Anterior Siguiente

Manuel Alfonseca