Desde la escuela comenzamos a estudiar la materia ordinaria. Sabemos que tiene volumen, aunque sea tan diminuto que no podemos verla a simple vista. También hemos aprendido su efecto inercial (resistencia al cambio), relacionado con su masa y descrito de manera simple por las tres leyes de Newton sobre el movimiento.
Conocemos el efecto gravitacional de la materia pues siempre atrae a otras porciones de materia de manera proporcional a su masa (ley de gravitación universal). Sabemos que está formada de átomos y que estos a su vez de partículas subatómicas (electrones, protones y neutrones).
La investigación más reciente nos dice que existen al menos 12 tipos de partículas elementales de materia (fermiones), más sus respectivas antipartículas, todas producidas experimentalmente en laboratorios y también observadas en el universo, excepto estas últimas: la antimateria, cuya existencia solo se ha verificado en la Tierra y con una vida media muy corta.
La partícula de materia más conocida es el electrón. No podemos apreciar el efecto de un solo electrón, pero sí el de una pequeña corriente de estos, como la que usa su odontólogo para probar el estado del nervio en uno de los dientes.
La partícula más conocida entre las que carecen de masa es el fotón, que estimula las células de la retina de nuestros ojos y nos permite ver los objetos del universo que interactúan con ellos.
El bosón de Higgs es la última en descubrirse, pero no es una partícula de materia. De acuerdo al modelo aceptado por la física de partículas, es de importancia vital para determinar la masa.
Hipótesis. Nuestra experiencia con la marea oceánica, las órbitas de los planetas, los cometas y las sondas espaciales nos confirma que el campo gravitatorio de la materia ordinaria disminuye con el inverso cuadrado de la distancia.
Por eso, los planetas recorren órbitas con rapidez angular menor mientras más lejanos están del Sol. Así, Mercurio realiza una revolución completa en 87.969 días (moviéndose a 47,87 km/s) y Júpiter en 4.333 días (a 13,07 km/s), mientras que Neptuno necesita 60.190 días (a 5,43 km/s).
Sin embargo, se ha medido que la velocidad de rotación de las estrellas en las galaxias observadas es muy grande y se mantiene casi constante a pesar de la distancia al centro galáctico. Por ejemplo, el Sol, que está a unos 28.000 años luz del centro de la Vía Láctea, se mueve a 220 km/s.
Esa velocidad es mayor que la esperada si se toma en cuenta solo la masa ordinaria total de las estrellas: polvo, gas, y hasta un posible agujero negro supermasivo en el centro galáctico. Entonces, o la ley de gravitación no es correcta, o hay algún tipo de materia que no vemos.
Una manera de resolver ese problema ha sido la de formular la existencia hipotética de algún otro tipo de objetos –no constituidos por la materia ordinaria– que produzcan mucho más atracción gravitatoria, para mantener la velocidad de esas estrellas. Llamamos “materia oscura” a esos objetos que proporcionan la masa extra requerida.
Razón del nombre. El sustantivo “materia” es apropiado pues nuestra experiencia con la materia ordinaria es que ejerce atracción gravitatoria. Así, si también lo hace algo que de momento no sabemos qué es, entonces parece lógico llamarlo “materia”. Le agregamos el adjetivo “oscura” que recuerda nuestro desconocimiento relativo de algunas de sus características y propiedades.
Desde luego, se han formulado otras explicaciones (hipótesis) que no requieren la existencia de la materia oscura.
Siempre que se ha topado con algo desconocido, la humanidad pronto le ha puesto un nombre (“materia oscura” en este caso) pues es la manera apropiada para referirnos a aquello desconocido. Luego vendrán las investigaciones para identificarlo de la mejor manera: esto es lo que se hace ahora.
¿Por qué “oscura”? Bueno, en parte porque desconocemos lo que es, a pesar de que tenemos buenos indicios para considerar que no es solo una buena hipótesis. Empero, esto no es lo importante pues, en sus inicios, todos los campos del conocimiento han tenido algo de oscuridad.
Desde luego, no podemos “ver” la materia oscura con telescopios en ningún ámbito del espectro electromagnético porque tal materia no interactúa (o lo hace extremadamente débil) con los fotones pues es... ¡transparente!
No hemos descubierto ninguna partícula elemental de materia oscura, aunque, por análisis teóricos, sospechamos que hay buena probabilidad de que existan.
¿Qué sabemos hasta hoy? Las partículas de materia oscura interactúan muy débilmente con el resto de la materia del universo y con ellas mismas.
Una posibilidad es que tal materia esté constituida por partículas elementales de gran masa, mayor que los quarks.
Son partículas que se mueven lentamente (materia oscura fría).
Son eléctricamente neutras.
Tienen una larga vida media –por lo menos 13.800 millones de años– pues nos acompaña casi desde el Big Bang.
Otra posibilidad es que haya grandes objetos con propiedades oscuras, como estrellas y planetas que no brillan (hasta agujeros negros) alrededor del centro galáctico, que sean los responsables de proveer la masa requerida.
Se cree que un 26,8 % del total de masa-energía del universo es materia oscura, mientras que sólo un 4,9 % es materia ordinaria. ¿Qué nombre le pondría usted al 68,3 % restante, qué propiedades o características requiere?
Posiblemente en pocos años, la existencia de la materia oscura podrá confirmarse o desecharse: esta es la manera en la que progresa la investigación científica. Quizás algunos de los jóvenes lectores contribuirá con algo si se lo propone.
El autor es profesor pensionado de Física y Astronomía en la UCR.