Al universo le falta un pedazo enorme.
No se lo ve en ninguna parte, al menos no con los instrumentos y la tecnología que tenemos en este momento. Y sin embargo, los astrónomos saben que hay algo allí, la influencia gravitacional de un material invisible que constituye más o menos el 85% de la masa del universo. Hasta la fecha la mejor explicación que ofrece la ciencia es que se trata de materia oscura, una forma hipotética de materia que no absorbe ni emite ni refleja la luz.
Muchos de los fenómenos cosmológicos que no se pueden explicar tienen como respuesta la existencia de la materia oscura y como eso es conveniente, la mayoría de los astrónomos acepta que tiene que estar allí. Muchas de las grandes instituciones del mundo dedican recursos a llevar a cabo experimentos de extraordinaria tecnología y atención, solo para detectar la materia oscura.
Pero todavía no se halló la evidencia irrefutable de que la materia oscura existe. Tenemos que señalar una vez más que la evidencia indirecta y la teórica sí apuntan a que allí está, pero en la física siempre está la mínima posibilidad de que estemos completamente errados y que la naturaleza tiene planes diferentes a los que suponemos.
Por eso quisimos que los expertos consideraran al menos la pregunta de qué pasa si no existe la materia oscura. ¿Qué es lo que brinda tanta certeza respecto de que la materia oscura es la respuesta? Y si así es, ¿qué pasa si físicamente es imposible para los humanos hallarla? Considerándolo todo, ¿cuáles son las alternativas que habría para explicar esa masa faltante del universo?
A continuación, las respuestas, editadas para que resulten más claras.
Vedant Chandra
Astrofísico, Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian.
Es arriesgado demostrar que no existe la materia oscura, y una de las razones es que sabemos tan poco acerca de ella, con modelos plausibles que abarcan decenas de órdenes de magnitud de masa. Aunque hubo experimentos que han logrado descartar porciones de este espacio parámetro, el espacio candidato sin probar es muy vasto. Desde la astrofísica, lo que haya de sustancia que se comporte como materia oscura sigue siendo la explicación más simple hasta hoy para todas nuestras observaciones.
Si realmente no existe la materia oscura, se requiere una alteración de la física mucho más complicada para explicar simultáneamente todas nuestras observaciones. Los principales modelos de materia oscura predicen que en el futuro se agrupará en escalas subgalácticas llenando galaxias con su estructura de materia oscura totalmente invisible. Son estructuras que pueden detectarse gravitacionalmente mediante las lentes o por su influencia en las corrientes estelares que orbitan en la Vía Láctea. Las futuras detecciones de esta subestructura oscura serían una confirmación adicional de la materia oscura que opera independientemente de cualquier materia visible.
Sabine Hossenfelder
Física y comunicadora de ciencias, Science With Sabine.
Si la materia oscura no existe, no desaparecerán las observaciones que llevaron a los astrofísicos a concluir que sí existe. Entonces necesitaríamos otra cosa para explicar las observaciones. Hoy la explicación alternativa más plausible es que entendemos mal la ley de la gravedad. En lo personal, lo encontraría más interesante porque podría ser un vínculo a la gravedad cuántica y tal vez explicar también la energía oscura.
Dicho esto, la “materia oscura” se ha definido de forma tan vaga que es imposible de falsificar. En el mejor de los casos podemos hacer que sea menos plausible si logramos una explicación mejor. Pero en este momento la gravedad modificada es igual de buena o mala que la materia oscura, cada una con sus ventajas y desventajas. A mí no me satisface ninguna de las dos explicaciones, y me gustaría ver que la IA atacara este problema.
Stacy McGaugh
Cosmólogo, Case Western Reserve University; autor del blog Triton Station.
Las observaciones astronómicas han establecido más allá de la duda razonable que hay una discrepancia entre lo que vemos y lo que obtenemos en los sistemas extragalácticos – galaxias, clústeres de galaxias, el universo como un todo. Cuando aplicamos la ley de la gravedad que nos enseñaron Newton y Einstein a la materia que podemos ver en estos sistemas, algo falta: los movimientos observados implican que hay más masa de lo que se ve: materia oscura.
Inferir la existencia de la materia oscura es algo que depende de la suposición que nos enseñaron Newton y Einstein; es todo lo que hace falta saber sobre la gravedad. Parece una buena suposición, pero no es más que eso, una suposición. Si la materia oscura no existe, eso implica que falta aprender más sobre la gravedad. Las discrepancias observadas podrían tener su causa en un cambio en la ley de la fuerza y no, en una masa invisible.
La teoría MOND, de dinámica newtoniana modificada, es un hipotético cambio en la ley de la fuerza. MOND logró una cantidad de predicciones que luego se corroboraron con la observación. Eso no tendría que suceder en un universo compuesto por materia oscura y hace que nos preguntemos si la masa invisible nos rodea ahora mismo.
Juan I. Collar
Astrofísico, Kavli Institute for Cosmological Physics, University of Chicago.
Poco después de que Maxwell identificara la luz como onda electromagnética viajera, los experimentalistas empezaron a medir la presencia del medio por el que se propaga, el éter lumínico, o simplemente éter. El sesgo respecto de su existencia era enorme aunque las ecuaciones de Maxwell brindaban una receta para la autopropagación de los campos eléctricos y magnéticos que en modo alguno dependiera de un éter. No se halló evidencia alguna hasta que la teoría de la relatividad finalmente echó un manto de calma, dos décadas después. Viendo hacia atrás, no había explicación posible más que el sesgo humano y falta de imaginación para nuestra obsesión con el éter.
Las búsquedas de materia oscura de partículas ya cubrieron el doble de lo que ocupó la locura del éter, y los esfuerzos siempre dieron resultados negativos. Los efectos gravitacionales de lo que dimos en llamar “materia oscura” no se discuten. Concluir que detrás hay una partícula fundamental, o que esa partícula interactúa por otro mecanismo que no es la gravitación, bien podría implicar un regreso a lo que hicieron los experimentalistas tras lo que propuso Maxwell.
Si no surge un nuevo Einstein que lo resuelva, tal vez la astrofísica observacional proponga una solución. Pero no hay casi nada de información sobre la naturaleza de las partículas de materia oscura (masa, tipo, vínculos) a partir de ese campo para la comunidad experimental que la busca y el énfasis en brindar una guía podría reenfocar la cantidad de búsquedas en esfuerzos que tengan más oportunidades de lograrlo.
Kyu-Hyun Chae
Físico, Sejong University, Corea del Sur.
El concepto de “materia oscura” tiene cierta similitud con los históricos conceptos de los “epiciclos” o el “éter” en que son consecuencias lógicas de paradigmas y teorías ya establecidos. Eventualmente, tanto los epiciclos como el éter se descartaron y eso dio lugar a grandes revoluciones científicas. La materia oscura es consecuencia lógica de la gravedad estándar que les debemos a Newton y Einstein. El paradigma de la materia oscura ha sido la opinión por defecto durante casi un siglo desde que Fritz Zwicky y otros astrónomos notaron anomalías gravitacionales en sistemas astronómicos como los clústeres de galaxias y galaxias a partir de la década de 1930. Los éxitos aparentes de la materia oscura como explicación de datos astronómicos tendrían similitudes con los aparentes éxitos del modelo geocéntrico ptolemaico basado en epiciclos para explicar los movimientos planetarios observados en el cielo.
Como los epiciclos eventualmente no sobrevivieron debido a evidencia plausible con la observación de Galileo de las fases de Venus, es probable que la evidencia astronómica plausible eventualmente indique si la materia oscura es otro epiciclo/éter, o una entidad física verdadera. Y esa evidencia plausible puede provenir de observaciones que muestren discrepancias directas respecto de la gravedad estándar. Ya se están publicando en los últimos años trabajos científicos que presentan esta evidencia. En particular, observaciones detalladas de dinámicas internas de estrellas binarias y curvas en la rotación galáctica que brindarán evidencia decisiva en los próximos años. Creo que se está formando una nueva revolución científica y que muchos científicos la recibirán gustosos. Tal vez sea irónico que la historia siga mostrando que las revoluciones científicas llegan a expensas de teorías físicas que parecen perfectas. Este es un momento importante para la gravedad y la cosmología.
Don Lincoln
Científico senior, Fermilab; comunicador de ciencias.
Es interesante y encendido el debate de si la materia oscura o la física modificada responde los misterios cósmicos como los de las galaxias de rápida rotación, y para la física es fascinante. Durante años me apoyé en el rumbo de la física modificada, pero dos observaciones me ubicaron en el campo de la materia oscura. El Cluster Bullet apunta a la conjetura de la materia oscura, así como la observación de galaxias ultradifusas en el grupo NGC-1052. Esas galaxias, llamadas DF2 y DF4, parecen estar gobernadas por las leyes de la física que hoy se aceptan. En un momento de ironía cósmica, la existencia de galaxias que parecen no contener materia oscura parece constituir evidencia de que la materia oscura existe. Si la física modificada fuese la respuesta, no habría galaxias que rotan como lo predicen las leyes de Newton.
Si la materia oscura particulada existe, hay que preguntar cuál es su naturaleza y la respuesta es elusiva. Se han presentado hipótesis lógicas, como masas que van entre 10 a 11 veces la masa de un electrón, hasta la masa de un asteroide de tamaño medio. Los experimentos han descartado clases de posibles candidatos a materia oscura con propiedades específicas en el rango de 1 a 1.000 veces la masa de un protón, aunque siguen siendo viables otros posibles candidatos. La forma en que interactúan será la que determine si alguna vez detectaremos partículas de materia oscura. Si resulta que solamente actúan gravitacionalmente, tal vez jamás las detectemos. Si queremos conocer la respuesta, el único camino es seguir buscando la materia oscura de todas las formas más creativas que podamos, esperando que algún grupo de investigadores afortunados logre la observación que traiga la respuesta.
Indranil Banik
Astrofísico, University of Portsmouth.
Como es natural, no todos los astrónomos están contentos con la materia oscura. Para arreglárnoslas solo con la masa visible tenemos que relacionar su materia visible con la gravedad observada, infiriéndola de la velocidad de rotación de las galaxias. Durante 10 años creí en la teoría MOND y trabajé en ella. Al realizar un análisis detallado de las observaciones de Gaia de miles de binarias anchas en el vecindario solar, pude finalmente descartar la predicción MOND.
Todo esto, antes de siquiera considerar evidencia de la cosmología que también sugiere que se requiere materia oscura. Publiqué hace poco un trabajo sobre la formación de galaxias sin materia oscura en el que la imagen estándar sigue siendo necesaria para actuar como semilla en torno a la cual se forma la galaxia tanto si consideramos planetas externos del sistema solar como Saturno, estrellas binarias en el vecindario solar, o el hecho de que las galaxias se formaron rápidamente tras el Big Bang, las observaciones se explican mucho mejor al usar la gravedad estándar en combinación con la materia oscura. Y no llegué a esta conclusión permaneciendo en mi zona de confort, ya que creí en MOND durante una década y publiqué muchos trabajos y una revisión de 150 páginas defendiéndola. Pero ahora creo que si algo no está bien en nuestra teoría de la gravedad, la inexactitud es muy pequeña hasta que llegas a distancias de al menos 100 millones de años luz. En escalas mayores hay razones para pensar que nuestras teorías no funcionan bien. Las modificaciones a la gravedad en estas escalas no pueden reemplazar la necesidad de que haya materia oscura.
Por eso mi respuesta a esta pregunta es que si la materia oscura no existe, entonces no se puede entender mucho el universo incluso si estás dispuesto a modificar la gravedad porque hay muy poca flexibilidad sobre cómo podrías hacerlo en un universo que solo tiene materia visible. Creo que la materia oscura sí existe y es el principal componente de las galaxias y las grandes estructuras como los clústeres de galaxias.
