La materia oscura parece fría: qué revela la formación de galaxias y qué no sabemos de sus partículas

La materia oscura plantea dos preguntas relacionadas, pero distintas: cómo influye en la estructura del universo y de qué está hecha. La NASA explica que las simulaciones de la formación de estructuras favorecen una materia oscura fría, o de movimiento lento. Esa preferencia ayuda a describir cómo encajan las galaxias y otras estructuras en la historia cósmica, pero no identifica las partículas responsables.

La distinción importa porque «fría» no significa aquí una temperatura medida con un termómetro. Se refiere a la velocidad de las partículas en los modelos. La comparación entre materia oscura fría, cálida y caliente permite estudiar qué tipo de movimiento produce estructuras semejantes a las que observan los astrónomos.

Una materia invisible que deja huellas gravitatorias

La materia ordinaria —la que compone estrellas, planetas y los objetos cotidianos— interactúa con la luz en distintas longitudes de onda. La materia oscura, según la descripción de la NASA, no parece interactuar con el espectro electromagnético: no absorbe, refleja ni emite luz. Sin embargo, tiene masa y afecta gravitatoriamente a la materia ordinaria. Por eso, aunque no se vea directamente, sus efectos permiten estudiar su influencia en el cosmos.

La agencia estima que la materia oscura representa alrededor del 27 % del universo, frente a cerca del 5 % de materia ordinaria; el resto se atribuye a la energía oscura. También señala que la materia oscura constituye la mayor parte de la masa de las galaxias y los cúmulos de galaxias. Estas proporciones son estimaciones que ofrece la NASA como contexto para explicar el papel de los distintos componentes cósmicos.

Una manera de rastrear esa masa es observar cómo la gravedad de grandes concentraciones de materia curva el espacio-tiempo y desvía la luz de objetos lejanos. Ese fenómeno se llama lente gravitacional. Las distorsiones observadas permiten investigar la distribución de masa, incluida la parte que no emite luz.

Qué comparan las simulaciones

La explicación de la NASA describe simulaciones que ponen a prueba distintas velocidades para la materia oscura. En los modelos de materia oscura fría y lenta, las estructuras del universo aparecen y se mueven de forma similar a lo que se observa. En cambio, en las simulaciones con materia oscura cálida o caliente, las estructuras no parecen mantenerse unidas de la manera necesaria para reproducir esas observaciones.

A partir de esa comparación, la agencia resume que los científicos consideran más probable que la materia oscura sea fría o se mueva lentamente. También plantea que pudo formarse en el universo temprano con una velocidad suficientemente baja para permitir que las galaxias se formaran y distribuyeran como las vemos hoy. Es una inferencia basada en el comportamiento de las estructuras dentro de los modelos: indica qué clase de movimiento encaja mejor con el panorama observado, no cuál es la composición de la materia oscura.

La idea de «fría» debe entenderse, por tanto, en el marco de esa comparación. La pregunta no es si el material resulta frío en un sentido cotidiano, sino si sus partículas se desplazan con suficiente lentitud para agruparse y favorecer la formación de estructuras cósmicas.

De la descripción cosmológica a las partículas hipotéticas

La NASA recoge varias propuestas sobre qué podría constituir la materia oscura. Entre ellas están los WIMPs, sigla de partículas masivas de interacción débil. La agencia los describe como partículas hipotéticas, pesadas y de movimiento lento, que no absorben ni emiten luz y no interactúan fuertemente con las partículas conocidas hasta ahora. Se cree que podrían interactuar mediante la gravedad y quizá otras fuerzas, de modo que atravesarían casi sin impedimentos la materia ordinaria.

Algunos modelos plantean que, cuando ciertos WIMPs se encuentran, podrían aniquilarse entre sí y producir rayos gamma. La NASA indica que se han buscado posibles señales de ese proceso en datos del telescopio espacial de rayos gamma Fermi. La descripción de una búsqueda, sin embargo, no equivale a confirmar que los WIMPs existan.

Otro candidato son los axiones, partículas subatómicas hipotéticas que se consideran de baja masa y baja energía. Fueron propuestos en 1977 como una posible solución a un problema de la física de partículas llamado problema de CP fuerte. La hipótesis plantea que los axiones podrían ser materia oscura. La NASA también señala que se han utilizado datos de los telescopios Fermi, Chandra y NuSTAR para buscar indicios de oscilaciones de axiones en observaciones de rayos X y rayos gamma.

Lo que las simulaciones permiten afirmar

La preferencia por una materia oscura lenta y la búsqueda de candidatos pertenecen a niveles distintos de la investigación. Las simulaciones comparan el efecto que distintas velocidades tendrían sobre la formación y cohesión de estructuras. Las búsquedas de partículas, en cambio, tratan de encontrar señales asociadas a propuestas concretas. Que un modelo cosmológico encaje mejor con las estructuras observadas no basta por sí solo para elegir entre WIMPs, axiones u otras explicaciones.

La propia NASA presenta un abanico de posibilidades y señala que la materia oscura podría estar formada por más de un tipo de materia o partícula. En la página que resume estos candidatos, la agencia indica que no se ha encontrado evidencia que confirme ninguno de los que describe. Por eso, la conclusión respaldada por el material disponible es acotada: las simulaciones favorecen la materia oscura fría o lenta como explicación de la estructura cósmica observada, mientras que su identidad física sigue abierta.

Una pista sobre la historia del cosmos

Entender cómo se distribuye la materia oscura puede ayudar a reconstruir cómo se organizaron y evolucionaron las galaxias. La NASA presenta las simulaciones como una forma de conectar el movimiento de la materia oscura con la formación de esas estructuras. La preferencia por partículas lentas apunta a una condición que permite que la materia se agrupe en los modelos; no resuelve, por sí misma, la naturaleza de esas partículas.

El panorama queda así dividido entre una pista cosmológica y una incógnita microscópica. La primera favorece materia oscura fría porque sus simulaciones se ajustan mejor a las estructuras observadas. La segunda —qué entidad física produce esos efectos gravitatorios— continúa abierta entre candidatos hipotéticos como WIMPs y axiones. Mantener separadas ambas preguntas evita convertir una explicación sobre la formación de galaxias en una identificación que la evidencia citada no proporciona.