Bienvenidos, amantes del universo. Muchas veces me preguntaron cuál es la diferencia entre materia oscura y energía oscura. Si bien sus nombres parecieran relacionar estos conceptos, sus efectos sobre el universo son muy distintos. Sin embargo, podemos decir qué tienen en común: aún no conocemos su naturaleza exacta. Si querés una explicación que te ayude a conocer a qué cosas llamamos materia oscura y energía oscura, quedate hasta el final: vas a poder distinguirlas en una frase y entender por qué es importante comprenderlas.
Materia oscura en pocas palabras
La materia oscura es un tipo de materia que sabemos que está ahí por sus efectos gravitacionales. Por otro lado, no emite, absorbe ni refleja luz de manera apreciable. Es por esto que su hallazgo ha sido tan esquivo para nuestros telescopios tradicionales.
El término “oscura” se popularizó a partir de las ideas de Fritz Zwicky en los años 30, cuando notó que faltaba masa para explicar el movimiento de los cúmulos de galaxias. Zwicky creía que debía existir algún tipo de materia que no veíamos debido a su poco albedo, por ello la denominó de esa manera.
Hay múltiples evidencias que apuntan a lo mismo: hay más masa de la que vemos con la luz en las grandes estructuras del universo. La materia oscura entonces es la explicación al excedente de masa en dichas estructuras que actúa como una especie de molde cósmico donde se aglomeran, forman y evolucionan las galaxias y los cúmulos de galaxias.
Evidencias que avalan su existencia
Para el lector apurado, vamos a simplificarlo de la siguiente manera:
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Las galaxias giran demasiado rápido → halo invisible de materia oscura.
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Los cúmulos tienen más gravedad que la que explica la luz y el gas visible.
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Los lentes gravitacionales mapean más masa donde no hay materia visible suficiente.
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Las colisiones de grandes estructuras separan el gas (visible) de masa dominante (invisible).
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El CMB (Cosmic Microwave Background) y el BAO (Barionic Acoustic Oscilation) demuestran una gran proporción de materia no bariónica.
- Las simulaciones con CDM (materia oscura fría o Cold Dark Matter) reproducen la telaraña cósmica.
Las galaxias giran demasiado rápido (VERA RUBIN)
Si toda la masa de una galaxia estuviera únicamente donde vemos la luz, la velocidad de las estrellas debería reducirse a medida que nos alejamos del centro (comportamiento “kepleriano”). No obstante, las curvas de rotación observadas son casi planas: lejos del bulbo, las estrellas siguen girando rápido -es decir que tienen casi la misma velocidad angular que las estrellas del centro-. Vera Rubin notó por la década del ’70 que mantienen una estructura que debería deformarse por las distintas velocidades. La explicación más simple y consistente es que la galaxia está inmersa en un halo extendido de materia no luminosa que aporta gravedad adicional y “sostiene” esas velocidades.
Este efecto se ve no solo en espirales grandes, sino también en galaxias enanas y sistemas de baja luminosidad superficial, donde la discrepancia entre masa visible y gravedad medida es aún más marcada. La conclusión es robusta porque proviene de la dinámica del sistema (cómo se mueven las cosas), independiente de cuánta luz emiten. Por último, también agregar que hay unas pocas galaxias que carecen de materia oscura, y esto termina reafirmando y visualizando que la velocidad angular de los componentes de una galaxia dependen de si coexisten con materia oscura o no.
Los cúmulos tienen más gravedad que la que explica la luz y el gas
Tal y como mencionaba antes, en los años 30, Zwicky ya notó que las galaxias dentro de algunos cúmulos se movían tan rápido que el cúmulo debería desarmarse si solo contara la masa visible. Hoy lo confirmamos con dos parámetros más: el gas caliente del medio intracumular, que brilla proporcionalmente a la masa circundante, y su presión (medida también vía efecto Sunyaev–Zel’dovich). Ambos indican un pozo gravitatorio mucho más profundo que el que producen estrellas y el gas visible.
Cuando aplicás el teorema del virial (relación entre velocidades y masa total) y comparás con la luz emitida, falta un componente de masa dominante. Este exceso de masa se entiende naturalmente como materia oscura extendida por todo el cúmulo, coherente además con lo que muestran mapas de lente gravitatoria del mismo sistema.
Los lentes gravitacionales mapean masa extra para explicar las curvas que sigue la luz
La gravedad curva la trayectoria de la luz. Midiendo arcos y anillos (lente fuerte) y la distorsión estadística de miles de galaxias de fondo (lente débil), podemos mapear la distribución de masa sin asumir que esa masa brilla. Una y otra vez, esos mapas muestran concentraciones de masa donde la luz no alcanza para explicarlas.
Además, estudios sobre microlensing en la Vía Láctea y en galaxias cercanas han derribado candidatos como materia oscura a los MACHOs (Massive Compact Halo Objects). Esta es una hipótesis que planteaba que agujeros negros pequeños o enanas marrones u cuerpos celestes de gran masa y de poco brillo pueblan el halo de manera que hay masa “oscura”.
Colisiones separan gas (visible) de masa dominante (invisible)
En choques de cúmulos, el gas visible se frena y queda atrás; las galaxias y la masa dominante (vista por lente gravitacional) siguen de largo. Esa separación entre “dónde está la luz” y “dónde está la gravedad” es difícil de explicar sin materia oscura: un componente invisible que casi no colisiona.
CMB y BAO demuestran una gran proporción de materia no bariónica
El CMB, o el fondo cósmico de microondas, es la foto de bebé del cosmos. Su variación de densidad de cada pequeña onda que llega revela que con materia normal no alcanza para explicar la gravedad total. Por eso decimos que debe existir la materia oscura: porque la gravedad de la masa que detectamos que existe en ese CMB se queda corta con la cantidad de masa bariónica que se ve. El CMB se tuerce en el viaje por la gravedad de una web cósmica, moldeada por la materia oscura. Midiendo esa torsión, se puede saber cuánta masa (incluida la oscura) hay en el camino.
Por su parte, las oscilaciones acústicas de bariones o BAO funcionan algo así como un estándar ISO: la misma distancia aparece una y otra vez entre galaxias a gran escala, como formando esa web cósmica que mencioné. Esa “regla” cuadra con el CMB… si y sólo si el universo tiene materia oscura.
Las simulaciones con CDM reproducen la telaraña cósmica
Cuando corrés simulaciones numéricas asumiendo materia oscura fría (CDM) —partículas lentas al momento de formar estructuras—, el universo que emerge tiene una “telaraña” de filamentos, nudos y vacíos que se parece mucho a lo que miden los grandes cartografiados de galaxias. La tasa de crecimiento de estructuras, el espectro de potencias y la abundancia de halos encajan bien bajo este marco.
Si intentás lo mismo sin materia oscura o con una componente mayormente “caliente” (rápida), las estructuras pequeñas se borran y el patrón resultante no coincide con el cielo real. Aunque hay desafíos en escalas chicas (subhalos, perfiles centrales), a gran escala el modelo ΛCDM explica de manera consistente cómo y dónde crece la estructura cósmica.
En resumen
La materia oscura es un tipo de materia invisible que solo conocemos por su gravedad y que actúa como el molde cósmico donde se forman y se sostienen las galaxias.
Sin materia oscura, las galaxias tal como las vemos no se podrían haber formado ni mantenerse unidas: las estrellas se escaparían, los cúmulos no serían estables y el dibujo de la “telaraña cósmica” no coincidiría con nuestras observaciones. Estudiarla es aceptar que la mayor parte de la materia del universo no es como la que nos compone a nosotros, y que todavía no sabemos de qué está hecha.
Nuestro modelo del cosmos es lo bastante bueno como para detectar lo que no vemos pero sí sentimos por su gravedad. Sin embargo, aun seguimos rodeados de misterio: gran parte del universo es un laboratorio abierto, una invitación permanente a seguir haciéndonos preguntas.
Energía oscura en pocas palabras
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La energía oscura no es un tipo de materia: es algo que hace que la expansión del universo se acelere.
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No la detectamos en galaxias individuales, sino mirando cómo cambia la expansión a gran escala con el tiempo.
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La explicación más simple es que el propio espacio-tiempo tiene una especie de “energía de fondo” que empuja a las galaxias a separarse cada vez más rápido.
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Dentro de la composición del universo, la energía oscura sería un poco más de dos tercios del contenido total del universo.
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Mientras la materia oscura junta cosas (forma estructura), la energía oscura las separa a gran escala.
Qué sabemos (hasta donde sabemos)
La historia arranca a fines de los 90, cuando los equipos, entre ellos el de Saul Perlmutter, Brian Schmidt y Adam Riess midieron supernovas tipo Ia (uno a) muy lejanas para reconstruir cómo había cambiado la expansión del universo. Esperaban encontrar un universo cuya expansión se fuera frenando con el tiempo (por la gravedad de toda la materia), pero los datos mostraban lo contrario: la expansión se está acelerando. Es decir, el espacio entre las galaxias se estira cada vez más rápido.
Esa idea no viene sola: encaja muy bien con lo que nos dicen el fondo cósmico de microondas y las oscilaciones acústicas de bariones (BAO). Cuando ajustás todos esos datos juntos, el resultado es un encastre bastante coherente:
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Hay una parte de materia normal (protones, neutrones, nosotros) en un 5% o 6% de proporción.
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Una parte de materia oscura, que tiene mucha mas masa pero no brilla y ayuda a formar galaxias, la cual conforma aproximadamente entre el 24% y el 25% del total del universo.
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Y una componente adicional, casi 70 % del total, que actúa como una especie de presión negativa del vacío, acelerando la expansión: eso es lo que llamamos energía oscura.
La versión más simple de energía oscura es la famosa constante cosmológica de Einstein: una propiedad del vacío que tiene siempre el mismo valor en todas partes y en todo momento. También hay modelos más exóticos (campos dinámicos tipo “quintaesencia”), pero, por ahora, las observaciones siguen siendo compatibles con algo muy parecido a una energía de vacío constante. La frase que podría condensar después de todo lo visto a la energía oscura es esta:
No es una energía que podamos “guardar en una batería”, sino una propiedad del propio espacio-tiempo que hace que el universo se expanda cada vez más rápido.
En pocas palabras
La diferencia entre la materia oscura y la energía oscura:
La energía oscura es la responsable de que la expansión del universo se acelere, mientras que la materia oscura es la que aporta gravedad extra para formar y sostener galaxias y cúmulos.
Otra forma de decirlo:
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La materia oscura actúa como la estructura gravitacional sobre el que se construye la telaraña cósmica.
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La energía oscura es el fondo que estira el escenario, haciendo que, a escalas gigantescas, las galaxias se alejen cada vez más unas de otras.
¿Por qué es importante entenderla, aunque no sepamos “qué es” en detalle?
Porque la energía oscura determinará la evolución del universo en el futuro. Decide cómo va a cambiar el cosmos a gran escala: si la expansión siguiera acelerándose, cómo se irá vaciando el cielo con el tiempo y qué tipo de “destino final” podemos esperar. Si la expansión acelerada comienza a detenerse, es muy probable que luego de inconmensurables cantidades de tiempo, el universo entero se comprima, se atraiga gravitacionalmente, y termine colapsando sobre sí mismo en una singularidad. Es un recordatorio bastante fuerte de que, aunque podamos escribir ecuaciones y ajustar datos, todavía no entendemos bien la mayor parte de lo que rellena el universo.
Para terminar, quiero tomarme el atrevimiento de que si les gustó este articulo, invitarlos a seguirme en mis redes sociales o a seguir leyendo mi blog. Muchas gracias por haber llegado hasta acá y hasta el próximo artículo.
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