materia oscura

Una vieja esfera estelar, que ha reunido cientos de miles de soles, lleva miles de millones de años girando por las afueras de una galaxia enana. Según los cálculos, hace mucho que debería haberse desplomado hacia el centro, como una piedra pesada en un cuenco de gelatina. Pero la esfera se mantiene en su sitio, y ese hecho no deja dormir a los astrofísicos desde hace varias décadas.

En el laboratorio subterráneo de Dakota del Sur, el detector LUX-ZEPLIN, lleno de xenón líquido, espera colisiones raras. Normalmente, las partículas de materia oscura lo atraviesan sin dejar rastro, pero un día un núcleo de xenón se desplazó con una energía de 248 keV.

En el laboratorio subterráneo bajo la montaña Sanford en Dakota del Sur, hay un tanque con diez toneladas de xenón líquido que espera a que una partícula de materia oscura lo atraviese. Durante 60 días de observación, el detector LZ registró un único rebote nuclear con una energía de 248 keV.

En un tanque con tres toneladas de xenón líquido, escondido en las profundidades de la tierra, algo se movió una vez. No fue el propio xenón, sino uno de sus núcleos atómicos: recibió un empujón con una energía de 248 mil electronvoltios y retrocedió como una bola de billar golpeada por una bola invisible.

Un rayo de luz que pasa cerca de un cuerpo masivo se curva a su alrededor, como un corredor que dobla la esquina del estadio. Para una estrella de neutrones, ese ángulo de desviación suele considerarse igual al de una masa puntual.

El neutrón es una partícula que normalmente reside en el núcleo atómico y no desaparece. Pero algunas teorías sugieren que, en ocasiones, podría transformarse en su gemelo invisible: una partícula imposible de detectar con los detectores convencionales.

En el pozo que conduce al Gran Colisionador de Hadrones quieren instalar un inquilino inusual: un tubo vertical de cien metros, dentro del cual caerán nubes de átomos de estroncio. Cada nube se enfría hasta casi el cero absoluto, para que los átomos se muevan lenta y coordinadamente, como bailarines en cámara lenta.

Nadie ha visto la materia oscura, pero debería atravesar los detectores como el viento atraviesa las hojas. A veces, muy raramente, una partícula de materia oscura roza el núcleo de un átomo, y entonces el detector debe captar ese empujón. El problema es que las partículas ligeras de materia oscura apenas pueden mover núcleos pesados: es como intentar derribar un bolo lanzándole una pluma.

En el interior del Sol tienen lugar reacciones que podrían generar partículas ligeras y casi indetectables: los axiones. Una de estas reacciones produce axiones con una energía de 5,49 MeV, como si cada uno llevara la energía del impacto de una pelota de tenis que viaja a 100 km/h.

En el cielo austral, tras un denso velo de polvo, se esconde una fuente de rayos gamma, la luz más energética del universo. Brilla con tanta intensidad que se ve incluso a través de ese velo, pero el objeto en sí permanece invisible. Los astrónomos apuntaron el radiotelescopio ALMA hacia las nubes de gas cercanas y vieron un patrón que delató al invisible.

La materia oscura no brilla ni refleja la luz, pero su presencia se delata por efectos gravitatorios. Para atrapar al menos una partícula, los físicos construyen detectores parecidos a habitaciones muy silenciosas: en su interior hay cristales que destellan cuando una partícula incide en ellos. Pero el destello es débil y, si la luz se pierde por el camino, la señal puede pasar desapercibida.

Un cristal de yoduro de sodio dopado con talio es como una película fotográfica para partículas invisibles. Cuando un rayo gamma o una hipotética partícula de materia oscura incide en él, emite un destello de luz débil. Dos fotomultiplicadores de silicio, presionados contra los extremos del cristal, captan ese destello desde ambos lados.

El carrusel gira: cuanto más lejos del centro te sientas, más rápido te lleva. Durante mucho tiempo se pensó lo mismo de las galaxias: las estrellas en las afueras deberían girar más lento que las cercanas al centro. Pero ya en los años 1970 se descubrió que en muchas galaxias espirales la velocidad de las estrellas apenas disminuye con la distancia al centro.

En los primeros instantes tras el Big Bang, la materia y la antimateria deberían haber nacido en cantidades iguales. Pero hoy, a nuestro alrededor, hay materia ordinaria, mientras que la antimateria casi no se encuentra. ¿Dónde fue a parar?

Una galaxia se parece a una ciudad: en el centro hay luces brillantes y edificios densos, y hacia las afueras, luces dispersas y vacío. Pero si observamos cómo rota el gas en el disco galáctico, vemos que en las afueras su velocidad casi no disminuye. Como si barrios invisibles siguieran sosteniendo el movimiento.

Un imán que pesa unas pocas partículas de arena flota en el aire sin ningún soporte. No toca las paredes, no roza con cojinetes: simplemente cuelga en una trampa magnética, como una mota de polvo en un rayo de sol.

El universo nos envía señales constantemente, pero muchas son demasiado débiles para percibirlas. Los neutrinos reliquia —partículas que quedaron del Big Bang— atraviesan la Tierra por miles de millones cada segundo, pero atrapar al menos uno es una hazaña al borde de lo posible.

El velocímetro de una galaxia se dispara. Las estrellas exteriores giran tan rápido que, según todas las leyes de la gravedad, deberían salir despedidas, como salpicaduras de una rueda.

Un enorme estadio lleno de gente vestida de negro. Estás afuera y tratas de entender qué ocurre dentro, aunque no ves a ninguna persona. Pero si dos personas chocan e intercambian camisetas brillantes, notarás un destello de color.

En los primeros instantes después del Big Bang, el universo parecía un caldero hirviendo. En él, según una hipótesis, pudo nacer la materia oscura: la sustancia invisible que mantiene a las galaxias unidas.

En algún lugar del centro de una galaxia gira un agujero negro. No flota en el vacío: a su alrededor hay un enjambre invisible de partículas de materia oscura. Hasta ahora, ese enjambre se describía para agujeros estáticos, pero en realidad los agujeros siempre rotan.

Todo objeto pulsante tiene un momento en que el ritmo se rompe. Para las estrellas de bosones —grumos hipotéticos de partículas ultraligeras— ese momento resulta ser el punto donde la masa deja de crecer. Los autores del trabajo calcularon el modo radial más bajo (el tono fundamental de la «respiración») para toda una familia de estas estrellas, incluyendo modelos con autointeracción.

Una estrella de neutrones es el residuo ultradenso de una explosión de supernova: la masa del Sol empaquetada en una esfera del tamaño de una ciudad. Durante miles de millones de años vaga por el espacio, acumulando a su alrededor una sustancia invisible: la materia oscura, que no emite luz pero atrae gravitacionalmente.

El radiotelescopio FAST, con su antena de quinientos metros, captó una señal en la longitud de onda de 21 centímetros, la forma en que brilla el hidrógeno frío. La señal provenía de una nube bautizada como Cloud-9. Flota en el espacio junto a la galaxia M94, pero no contiene ni una sola estrella.

Un armazón invisible mantiene unidas las galaxias, impidiendo que se dispersen. Es la materia oscura, una sustancia que no brilla y casi no interactúa con la materia ordinaria. Los astrofísicos llevan tiempo debatiendo de qué está hecha.

El cielo nocturno parece un puñado de estrellas al azar. Pero si lo observamos a distancias enormes, el caos desaparece. Las galaxias se agrupan en largos filamentos y muros planos, y entre ellos se abren vacíos colosales: los vacios cósmicos. A esta estructura se la llama telaraña cósmica.

El modelo estándar cosmológico se parece a una receta de pastel donde todo está estrictamente medido: la materia oscura es como harina sin grumos (presión cero), y la energía oscura es como un levadura perfecta (ecuación de estado estrictamente menos uno). Pero, ¿y si la harina está un poco húmeda y la levadura se ha vencido?

Una gigante roja en un cúmulo globular es una estrella jubilada. Ha quemado el hidrógeno de su núcleo y ahora vive de la combustión en una capa delgada alrededor de las cenizas de helio.

El mundo cuántico se parece a una cocina donde, de la nada, aparecen partículas. Pero para ello se necesita un cocinero: un campo clásico que actúe como fuente externa. El teorema de Glauber, conocido desde hace tiempo en óptica, ahora se ha generalizado: muestra cómo el campo "cocina" las partículas, ya sean fotones o gravitones.

El universo temprano se asemeja a un caldero hirviendo donde las partículas y las antipartículas nacen y mueren en proporciones iguales. Pero hoy a nuestro alrededor solo hay materia: estrellas, planetas, nosotros mismos. ¿Cómo surgió un diminuto exceso de una milmillonésima parte a partir de la igualdad inicial?

Un cazador coloca trampas en el bosque. Conoce los hábitos de la bestia, pero no sabe si caerá en ellas. De manera similar, los físicos colocan detectores en un intento de atrapar partículas de materia oscura, una sustancia invisible que se cree constituye la mayor parte de la masa del universo.

En el hielo antártico se esconde un detector del tamaño de un kilómetro cúbico. No capta luz, sino partículas fantasma: los neutrinos. Pero a veces puede aparecer una bestia muy distinta: un par de muones que nacen juntos y se dispersan en un amplio abanico. Ese patrón no puede dibujarlo ninguna partícula conocida de la materia ordinaria.

La materia oscura es el andamiaje invisible del universo. Sabemos que existe, lo deducimos por el movimiento de las estrellas y las galaxias, pero de qué está hecho ese andamiaje, aún no se sabe. Una de las hipótesis son las partículas ultraligeras, similares a los axiones.

Un agujero negro no es solo una aspiradora cósmica. Si rota, puede amplificar las ondas a su alrededor, como un eco de montaña que repite el sonido. Para la materia oscura ultraligera (partículas miles de millones de veces más ligeras que el electrón), este efecto, llamado superradiancia, podría crear una nube enorme.

Un agujero negro no es un embudo vacío. A su alrededor puede acumularse materia invisible, y entonces los límites habituales se desplazan.

En los oscuros confines de nuestra galaxia, lejos de los brillantes cúmulos estelares, se esconden millones de agujeros negros. Son invisibles: no emiten luz ni absorben materia de manera notable. Los métodos de búsqueda habituales, diseñados para campos estelares densos, son inútiles aquí. Se necesita otro enfoque.

En los primeros instantes después del Big Bang, el universo experimentó una expansión vertiginosa: la inflación. El espacio se estiró más rápido que la luz, y las fluctuaciones cuánticas del vacío se convirtieron en partículas reales.

Un cúmulo globular —un denso enjambre de cientos de miles de estrellas— atraviesa la galaxia como una bala perfora el agua. En materia oscura ordinaria (esa masa invisible que mantiene unidas a las galaxias), debería perder velocidad rápidamente debido a la fricción dinámica.

Un remolino engulle agua, pero la mayor parte la salpica alrededor. Más o menos así se comporta un agujero negro cuando cae demasiada materia sobre él. En un nuevo estudio, los astrofísicos realizaron 32 simulaciones por computadora para entender cómo los parámetros del agujero —masa, rotación y 'apetito'— controlan estas fuentes cósmicas.

El objeto cósmico gira, pero su sombra no es redonda. Los astrofísicos examinaron un agujero negro en una versión inusual de la gravedad: el llamado mundo brana (donde nuestro Universo es una superficie tridimensional en un espacio de más dimensiones).