Materia oscura y energía oscura: qué son y cómo sabemos que existen

¿Qué es la materia oscura?

La materia oscura es materia que no emite, no absorbe y no refleja luz en ninguna longitud de onda. No la ve ningún telescopio —ni óptico, ni de radio, ni de rayos X— porque, hasta donde sabemos, no interactúa con el electromagnetismo. Solo delata su presencia a través de la gravedad. En realidad, «oscura» es un nombre poco afortunado: sería más preciso llamarla materia transparente.

La primera pista sólida llegó en 1933, cuando el astrónomo suizo Fritz Zwicky midió la velocidad de las galaxias del cúmulo de Coma y descubrió que se movían tan deprisa que el cúmulo debería haberse dispersado hace mucho, salvo que contuviera muchísima más masa de la visible. Zwicky la llamó «dunkle Materie»: materia oscura. Más de noventa años después seguimos sin saber de qué está hecha, pero sabemos con notable precisión cuánta hay y dónde está.

Sus propiedades esenciales, según el modelo cosmológico estándar (ΛCDM):

• No interactúa con la luz: es invisible para cualquier instrumento electromagnético.
• Tiene gravedad: da forma a galaxias y cúmulos, y actúa como su «pegamento» invisible.
• Es «fría»: sus partículas se mueven despacio en comparación con la velocidad de la luz, lo que permite que la materia se agrupe y forme estructuras.
• Constituye en torno al 27 % del contenido del universo: más de cinco veces la materia ordinaria.

Las pruebas: curvas de rotación, lentes gravitatorias y fondo cósmico

La evidencia moderna empieza con Vera Rubin. En el sistema solar, cuanto más lejos está un planeta del Sol, más despacio orbita: Neptuno se desplaza unas nueve veces más despacio que Mercurio. Lo mismo debería ocurrir con las estrellas de una galaxia respecto a su centro. Pero cuando Rubin y Kent Ford midieron la rotación de Andrómeda hacia 1970 —y después la de decenas de galaxias más—, encontraron curvas de rotación planas: las estrellas del borde giran igual de rápido que las interiores. La única explicación compatible con la gravedad conocida es que cada galaxia está envuelta en un enorme halo de masa invisible.

La segunda prueba son las lentes gravitatorias (o gravitacionales). La relatividad general de Einstein predice que la masa curva la trayectoria de la luz, así que un cúmulo de galaxias distorsiona las imágenes de lo que hay detrás, como una lupa cósmica. Al medir esa distorsión se obtiene la masa total del cúmulo, que resulta muy superior a la visible. El caso más elocuente es el Cúmulo Bala, analizado en 2006: en esa colisión de dos cúmulos, el gas caliente —la mayor parte de la materia ordinaria— quedó frenado en el centro del choque, mientras que el mapa de lentes muestra que el grueso de la masa siguió de largo. La materia oscura y la ordinaria se separaron físicamente, algo muy difícil de explicar solo modificando las leyes de la gravedad.

La tercera prueba es el fondo cósmico de microondas (CMB), la luz más antigua del universo. El patrón de sus diminutas fluctuaciones de temperatura depende de cuánta materia interactúa con la luz y cuánta no. El ajuste de precisión de los datos del satélite Planck arroja el reparto que estructura toda la cosmología actual: alrededor de un 68 % de energía oscura, un 27 % de materia oscura y un 5 % de materia ordinaria.

Lo que la materia oscura no es

Descartar hipótesis es la mitad del trabajo científico, y aquí se ha descartado mucho:

• No son solo agujeros negros ni estrellas apagadas. Las campañas de microlentes gravitatorias (MACHO, EROS, OGLE) rastrearon durante años el halo de nuestra galaxia y descartaron que objetos compactos ordinarios expliquen la mayor parte de la masa que falta.
• No es antimateria. La antimateria se aniquila al tocar la materia y produce rayos gamma característicos; no observamos ese resplandor por el cosmos.
• No es gas o polvo ordinario. El gas emite y absorbe radiación detectable, y tanto el CMB como la nucleosíntesis primordial limitan toda la materia ordinaria a ese ~5 %.
• No es energía oscura. Son dos fenómenos distintos con efectos opuestos, como se detalla en la comparación de más abajo.

Los candidatos: WIMPs, axiones y el papel de los neutrinos

Si la materia oscura es una partícula, ninguna del Modelo Estándar encaja del todo. El candidato clásico son los WIMPs (partículas masivas de interacción débil), con masas de entre una y miles de veces la del protón. La búsqueda directa acumula ya décadas: detectores ultrasensibles instalados a gran profundidad —LUX-ZEPLIN, en Dakota del Sur, y XENONnT, en el Laboratorio Nacional del Gran Sasso— esperan el retroceso de un núcleo golpeado por un WIMP. Hasta hoy, ninguna detección confirmada; solo límites cada vez más estrictos.

El segundo gran candidato es el axión, una partícula hipotética extremadamente ligera que surge del mecanismo propuesto por Peccei y Quinn en 1977 para resolver un problema de la interacción fuerte. Experimentos como ADMX intentan convertir axiones en fotones detectables dentro de campos magnéticos intensos. Tampoco hay señal aún.

¿Y los neutrinos? Históricamente fueron el primer candidato serio: en los años ochenta se estudió un universo dominado por «materia oscura caliente» de neutrinos. Las simulaciones lo descartaron, porque partículas tan ligeras y veloces habrían borrado las estructuras pequeñas que sí observamos. Pero la historia dio un giro con la oscilación de neutrinos: el Premio Nobel de Física 2015 a Takaaki Kajita y Arthur B. McDonald reconoció el descubrimiento de que los neutrinos oscilan y, por tanto, tienen masa. Eso significa que una pequeña parte de la materia oscura —como máximo, del orden del 1 %— está hecha de una partícula que conocemos, producimos y detectamos en laboratorio. La masa del neutrino es, hasta la fecha, la única física más allá del Modelo Estándar confirmada experimentalmente.

Materia oscura frente a energía oscura: en qué se diferencian

Comparten adjetivo y poco más. La materia oscura atrae; la energía oscura empuja. Su existencia se descubrió por caminos distintos: la energía oscura irrumpió en 1998, cuando dos equipos que medían supernovas de tipo Ia —liderados por Saul Perlmutter, Brian Schmidt y Adam Riess, galardonados con el Nobel de Física 2011— descubrieron que la expansión del universo no se frena, sino que se acelera. Algo tiene que estar contrarrestando la gravedad a escala cósmica.

La comparación, punto por punto:

• Efecto: la materia oscura actúa como pegamento gravitatorio que mantiene unidas galaxias y cúmulos; la energía oscura acelera la expansión del universo.
• Distribución: la materia oscura se agrupa en halos y filamentos; la energía oscura parece repartida de forma perfectamente uniforme.
• Proporción: ~27 % del universo frente a ~68 %.
• Pruebas clave: curvas de rotación, lentes gravitatorias y CMB frente a las supernovas lejanas de 1998.
• Mejor hipótesis actual: una partícula aún no descubierta frente a la constante cosmológica Λ, una energía inherente al propio vacío.

Por qué esto importa para la investigación neutrinovoltaica

Hay un hilo directo entre este rompecabezas cósmico y un campo de investigación muy concreto. De todo el sector invisible del universo, solo una pieza ha pasado del cielo al laboratorio: la masa del neutrino, reconocida con el Nobel de 2015. Poco después, el experimento COHERENT demostró en 2017 que los neutrinos transfieren un impulso medible a la materia al dispersarse de forma coherente contra núcleos atómicos, y en 2020 el equipo de Paul Thibado publicó en Physical Review E un estudio según el cual las ondulaciones térmicas de una lámina de grafeno pueden inducir corriente en un circuito diseñado para captarlas. No es casualidad que los mismos laboratorios subterráneos que buscan WIMPs alberguen también detectores de neutrinos: ambos campos estudian cómo lo casi invisible interactúa con la materia.

Sobre esa base científica trabaja el Neutrino Energy Group, una organización de investigación fundada en Berlín en 2008 por Holger Thorsten Schubart. Su línea central es la tecnología neutrinovoltaica: investigar cómo convertir fracciones minúsculas del flujo ambiental que nos rodea —radiación térmica y electromagnética y, según su planteamiento, también componentes del flujo de neutrinos— en corriente eléctrica mediante nanomateriales multicapa de grafeno y silicio (solicitud de patente WO2016142056A1). Es investigación en desarrollo, no un producto comercial, y sus resultados deberán validarse de forma independiente; pero ilustra por qué entender qué es un neutrino y el resto del universo invisible es también la frontera de las nuevas tecnologías energéticas.