Materia oscura

1. Evidencias observacionales

La materia oscura es una componente gravitante propuesta que no emite ni absorbe suficiente luz para explicar la masa que se le atribuye. La motivación es cuantitativa: los movimientos, las lentes gravitacionales y la estructura cósmica exigen más gravedad de la que proporcionan las estrellas, el gas y otras formas de materia ordinaria. Son mediciones de fenómenos distintos, interpretadas mediante modelos dinámicos y gravitacionales. Todavía no identifican una nueva partícula en el laboratorio.

«Oscura» no significa negra, antimateria ni energía oscura. El gas ordinario frío también puede ser difícil de observar. Identificar materia oscura no bariónica exige algo más que encontrar un objeto tenue: una explicación viable debe reproducir varias observaciones independientes con parámetros compatibles.

Curvas de rotación

Los desplazamientos Doppler de los espectros proporcionan velocidades de estrellas y gas a lo largo de la línea de visión. Al corregir la inclinación de la galaxia se estima su curva de rotación. Para una órbita circular en una distribución de masa newtoniana aproximadamente esférica, la gravedad aporta la aceleración centrípeta:

$$\frac{v_c^2}{r}=\frac{GM(<r)}{r^2},M(<r)=\frac{r{v}_c^2}{G}.$$

$M(<r)$ incluye toda la masa dentro de $r$, no solo estrellas. Fuera de una distribución compacta, la masa encerrada tiende a una constante y $v_c\propto r^{-1/2}$. Una velocidad casi constante implica, en cambio, $M(<r)\propto r$. Derivando la masa esférica encerrada se obtiene

$$\rho (r)=\frac{1}{4\pi r^2}\frac{dM}{dr}\simeq \frac{v_c^2}{4\pi G{r}^2}.$$

Es una inferencia local en la región plana observada, no un perfil válido hasta el infinito: una distribución $r^{-2}$ ilimitada tendría masa infinita. Las galaxias reales contienen discos aplanados, cuya contribución gravitacional requiere la geometría del disco. Un ajuste cuidadoso incluye relaciones masa-luminosidad estelares, gas, distancia, inclinación y movimientos no circulares. El artículo de datos SPARC muestra cómo combinar fotometría y rotación del gas en modelos de masa.

Ejemplo resuelto. Para una galaxia esférica idealizada con $v_c=200\mathrm{km}{\mathrm{s}}^{-1}$ a $r=20\mathrm{kpc}$, usamos $G=4.30\times 10^{-6}\mathrm{kpc}(\mathrm{km}{\mathrm{s}}^{-1}{)}^2{M}_{\odot }^{-1}$. Resulta $M(<r)\simeq 1.86\times 10^{11}{M}_{\odot }$. Si la estimación independiente de bariones dentro de ese radio suma $6\times 10^{10}{M}_{\odot }$, el modelo exige unos $1.26\times 10^{11}{M}_{\odot }$ adicionales. Los números ilustran el razonamiento; no son un ajuste a una galaxia concreta.

Figura 1. Más allá de un radio de referencia, las curvas azules continuas siguen $v/v_0=1$ y $M/M_0=r/r_0$; las naranjas discontinuas siguen $v/v_0=(r/r_0{)}^{-1/2}$ y $M/M_0=1$. La relación entre los paneles presupone simetría esférica. Son curvas esquemáticas, no observaciones.

Cúmulos y lentes. Las velocidades aleatorias de las galaxias en un cúmulo relajado proporcionan otra estimación dinámica. La relación del virial $2K+U\simeq 0$ da la escala $M\sim R{\sigma }_v^2/G$, con un coeficiente dependiente de la geometría. Un cúmulo en fusión puede no estar en equilibrio; no debe aplicarse la estimación sin comprobarlo. Las lentes utilizan las distorsiones de imágenes de fondo. En la aproximación de campo débil y lente delgada de la relatividad general, una lente esférica desvía la luz un ángulo

$$\alpha (b)=\frac{4G{M}_{2D}(<b)}{c^{2}b}.$$

$b$ es el parámetro de impacto y $M_{2D}$ la masa proyectada dentro de un cilindro, no la masa tridimensional de la fórmula de rotación. La lente no necesita brillar ni estar en equilibrio dinámico, pero su análisis requiere un modelo gravitacional, geometría y distancias de las fuentes.

El Cúmulo Bala añade un experimento de separación: el gas caliente, que contiene la mayor parte de la masa bariónica observada, se frena al colisionar, mientras las galaxias se atraviesan en gran medida. Los máximos de masa reconstruidos por lente están más cerca de las galaxias que del gas. Esto apoya una componente adicional relativamente poco colisional. No identifica WIMP, no demuestra una autointeracción exactamente nula ni resuelve todas las teorías gravitacionales imaginables. Véase el análisis original.

Figura 2. A la izquierda, antes del paso, se superponen gas naranja, puntos negros de galaxias y contornos azules de masa. A la derecha, el gas queda más central mientras galaxias y contornos se alejan. Las flechas indican movimiento. Es un esquema conceptual, no una reconstrucción del Cúmulo Bala; el tamaño de los contornos no codifica una masa medida.

2. Parámetros cosmológicos

El parámetro de densidad es ${\Omega }_i={\rho }_i/{\rho }_{\mathrm{crit}}$, con ${\rho }_{\mathrm{crit}}=3H_0^2/(8\pi G)$. Compara la densidad media actual con una referencia fijada por la tasa de expansión. En ${\Omega }_i{h}^2$, $h=H_0/(100\mathrm{km}{\mathrm{s}}^{-1}\mathrm{Mp}{\mathrm{c}}^{-1})$ es adimensional; no es la constante de Planck.

Bajo el modelo $\Lambda$CDM espacialmente plano de seis parámetros, el análisis final de Planck da ${\Omega }_c{h}^2=0.120\pm 0.001$, ${\Omega }_b{h}^2=0.0224\pm 0.0001$ y $h\simeq 0.674$; los errores citados son intervalos del 68%. Así, ${\Omega }_c\simeq 0.264$, ${\Omega }_b\simeq 0.049$ y ${\Omega }_c/{\Omega }_b\simeq 5.36$. Aproximadamente el 84% de la densidad combinada de materia oscura fría y bariones corresponde a materia oscura fría. Son inferencias basadas en un modelo, no porcentajes obtenidos contando objetos; la pequeña contribución de los neutrinos se trata aparte.

¿Por qué distingue ambas componentes el fondo cósmico de microondas? Antes de la recombinación, fotones y bariones formaban un fluido acoplado: la presión resistía la compresión gravitacional y producía oscilaciones acústicas. Los bariones añaden inercia al fluido, mientras la materia oscura poco colisional aporta potenciales gravitacionales sin compartir la presión fotónica. Sus abundancias alteran de manera diferente las alturas de los picos y la evolución de los potenciales. Ajustar los espectros completos de temperatura, polarización y lente restringe ambas componentes, no una única masa total.

Experimento mental. Sustituyamos la materia oscura inferida por bariones adicionales, conservando la densidad total. No cambia solo la gravedad: aumenta la carga bariónica del fluido acústico y las reacciones nucleares primordiales encuentran otra densidad bariónica. En general, el cambio no conserva las observaciones. Tras la recombinación, los bariones caen en pozos de potencial existentes; partículas con propagación libre demasiado rápida borrarían las semillas de pequeñas estructuras. «Fría» significa baja dispersión primordial de velocidades en las escalas relevantes, no una temperatura medida en laboratorio. Galaxias y lentes prueban el crecimiento posterior, con incertidumbres de retroalimentación y de cómo la luz traza la masa. Cooke, Pettini & Steidel (2018).

3. Partículas candidatas

Las evidencias limitan abundancia, agrupamiento e interacciones, pero dejan varias posibilidades microscópicas: una o varias especies, un campo coherente o ciertos objetos compactos. Un candidato debe vivir lo suficiente, producirse en la cantidad adecuada y satisfacer restricciones cosmológicas y experimentales.

(a) WIMP: partículas masivas de interacción débil

Una reliquia térmica intercambiaba partículas eficazmente con el plasma caliente. Cuando la temperatura descendió por debajo de su escala de masa, disminuyó la densidad de equilibrio. La expansión acabó superando a la aniquilación y dejó un remanente. Para una especie simple idéntica a su antipartícula, de densidad numérica $n$,

$$\dot{n}+3Hn=-⟨\sigma v⟩(n^2-n_{\mathrm{eq}}^2).$$

$3Hn$ representa dilución; el lado derecho es la pérdida neta por aniquilación, incluido el proceso inverso mediante $n_{\mathrm{eq}}$. El desacoplamiento químico ocurre alrededor de $n⟨\sigma v⟩\sim H$, no cuando las interacciones cesan de golpe. Con dominio de radiación, entropía conservada y aniquilación principalmente independiente de la velocidad, una aproximación útil es

$${\Omega }_{\chi }{h}^2\sim 0.12\frac{2.2\times 10^{-26}\mathrm{c}{\mathrm{m}}^3{\mathrm{s}}^{-1}}{⟨\sigma v⟩}.$$

Una aniquilación más eficiente deja menos partículas. El coeficiente depende de masa e historia térmica; resonancias, coaniquilación y dependencia de la velocidad requieren cálculos más completos. El cálculo de abundancia relicta cuantifica esa dependencia. El «milagro WIMP» motiva búsquedas; no garantiza la interacción débil ni una masa concreta en GeV–TeV.

(b) Axiones

El mecanismo de Peccei–Quinn aborda la diminuta violación de CP en las interacciones fuertes. Su campo de axión también puede almacenar energía cósmica. Un campo inicialmente desplazado del mínimo del potencial empieza a oscilar cuando la expansión se ralentiza lo suficiente. En un potencial aproximadamente cuadrático, las oscilaciones se comportan en promedio como materia sin presión. Por eso una masa muy baja puede coexistir con comportamiento frío: importan también producción y momento.

Una interacción posible, salvo la convención de signo, es

$${\mathcal{L}}_{a\gamma \gamma }=g_{a\gamma \gamma }a\mathbf{E}\cdot \mathbf{B}.$$

En un campo magnético estático, un axión puede convertirse en fotón. Una cavidad resonante busca una banda estrecha con $h_{\mathrm{P}}\nu \simeq m_a{c}^2$, donde $h_{\mathrm{P}}$ es la constante de Planck. Una energía en reposo de $4\mu \mathrm{eV}$ corresponde a unos $0.97\mathrm{GHz}$. El experimento ADMX ilustra el método. La materia oscura por sí sola no fija un intervalo universal de masa; partículas genéricas similares al axión no tienen por qué resolver el problema de CP fuerte.

(c) Neutrinos estériles

Estos fermiones neutros hipotéticos carecen de la interacción débil ordinaria, aunque la mezcla puede conectarlos con neutrinos activos. Una masa del orden del keV puede producir materia oscura tibia en escenarios adecuados. La distribución de momentos determina cuánto se suprimen las pequeñas estructuras; la masa por sí sola no basta. La mezcla permite también desintegración radiativa, comprobable en rayos X. La propuesta original de producción es un modelo, no la observación de una especie estéril.

(d) Otras propuestas

La materia oscura autointeractuante intercambia momento dentro de la componente oscura y puede modificar centros de halos aun con acoplamiento débil a la materia ordinaria. La propuesta original motiva comparar galaxias enanas y colisiones de cúmulos. Interacciones dependientes de la velocidad pueden afectarlos de manera distinta. Campos ultraligeros introducen efectos ondulatorios; agujeros negros primordiales serían objetos gravitacionales compactos, no nuevas partículas elementales. Cada modelo necesita abundancia y distribución de masa especificadas. Una restricción en un intervalo no elimina todas las versiones ni demuestra otro candidato.

4. Estrategias de detección

La detección directa busca energía transferida a un núcleo o electrón. Para un blanco de un solo isótopo, el espectro de retroceso por masa de detector es esquemáticamente

$$\frac{dR}{d{E}_R}=\frac{{\rho }_{\chi }}{m_{\chi }{m}_N}{\int }_{v\ge v_{\min }}{d}^{3}vf(\mathbf{v})v\frac{d{\sigma }_{\chi N}}{d{E}_R}.$$

${\rho }_{\chi }/m_{\chi }$ es la densidad numérica local, $f$ la distribución normalizada de velocidades en el sistema del detector, $m_N$ la masa nuclear y $E_R$ la energía de retroceso. Deben incorporarse eficiencias, umbrales y fondos. Para dispersión elástica, $E_R^{\max }=2{\mu }_{\chi N}^2{v}^2/m_N$, con ${\mu }_{\chi N}=m_{\chi }{m}_N/(m_{\chi }+m_N)$ y $c=1$. Las partículas ligeras transfieren poca energía a núcleos pesados, de ahí la importancia de umbrales bajos y blancos sensibles a electrones.

Una curva de exclusión indica que determinadas masas y acoplamientos predicen demasiados eventos bajo las hipótesis adoptadas; no demuestra ausencia de toda materia oscura. Como referencia histórica, el análisis LZ de 4,2 toneladas-año excluyó secciones eficaces WIMP–nucleón independientes del espín superiores a $2.2\times 10^{-48}\mathrm{c}{\mathrm{m}}^2$ para $40\mathrm{GeV}/c^2$, con un 90% de confianza en su modelo. Esa sección de dispersión no es la cantidad de aniquilación $⟨\sigma v⟩$ de la ecuación de desacoplamiento.

La detección indirecta busca fotones, neutrinos o partículas cargadas producidos por aniquilación o desintegración. La intensidad de aniquilación depende de la integral de ${\rho }_{\chi }^2$ a lo largo de la línea de visión; la de desintegración, de ${\rho }_{\chi }$. Importan los perfiles de densidad y las fuentes astrofísicas ordinarias. El análisis de galaxias enanas de Fermi-LAT muestra cómo una no detección limita estados finales específicos.

Los colisionadores investigan producción invisible mediante momento transversal faltante equilibrado por partículas visibles. Neutrinos y efectos instrumentales también producen esa firma. Incluso una nueva partícula invisible necesitaría pruebas adicionales de longevidad y abundancia cosmológicas apropiadas. Resonadores de axiones, retrocesos nucleares y colisionadores exploran distintos acoplamientos; su concordancia sería especialmente informativa. ATLAS (2021).

5. Alternativas a la materia oscura

MOND plantea si cambia la relación entre gravedad y bariones a bajas aceleraciones. En una formulación esférica sencilla,

$$\mu (a/a_0)a=\frac{G{M}_b}{r^2},\mu (x)\to x(x\ll 1).$$

En ese límite, usando $a=v_c^2/r$, se obtiene $v_c^4=G{M}_b{a}_0$. Una aceleración característica próxima a $10^{-10}\mathrm{m}{\mathrm{s}}^{-2}$ conecta velocidad asintótica y masa bariónica. La estrecha relación observada entre aceleraciones bariónica y dinámica es un objetivo empírico tanto para la gravedad modificada como para la formación galáctica con materia oscura; véase el estudio original.

La fórmula no relativista por sí sola no especifica lentes ni universo temprano. Una teoría competidora necesita una formulación relativista completa y pruebas conjuntas con cúmulos, fondo cósmico y crecimiento de estructuras. A la inversa, un buen ajuste cosmológico con materia oscura no explica automáticamente toda correlación galáctica. Hay que comparar modelos completos y sus incertidumbres, no solo una curva de rotación especialmente bien ajustada.

6. Estado de la investigación

Comprobación: 13 de octubre de 2026. En el marco gravitacional estándar, las pruebas de masa adicional que se agrupa son sólidas; no se ha establecido su identidad microscópica. Ya sería inexacto describir todo análisis experimental como un resultado nulo. El preprint de LZ de septiembre de 2026 comunica un candidato de retroceso nuclear de unos 248 keV en una ventana ampliada, con tensión global de $2.6\sigma$ respecto al modelo de solo fondo tras corregir las búsquedas múltiples; la significación local máxima es $3.4\sigma$. Es un exceso interesante, no un descubrimiento ni la probabilidad de que exista materia oscura. Hacen falta más datos, examen de fondos y coherencia independiente.

La dispersión de neutrinos ya importa: el análisis LZ de baja energía estudia retrocesos de neutrinos solares junto a la materia oscura ligera. El «suelo de neutrinos» describe menor discriminación y mejora más lenta de sensibilidad en ciertas búsquedas, no una barrera absoluta. Información espectral, temporal, direccional y distintos blancos pueden ayudar según el modelo de señal. O’Hare (2021).

Siguen abiertas las preguntas sobre número de componentes, producción, autointeracciones y cuánto de las aparentes tensiones a pequeña escala procede del gas y la retroalimentación estelar. Conviene separar observación (espectro, velocidad, distorsión), inferencia (masa dado un modelo) e hipótesis (partícula o campo). Materia oscura no es solo un nombre para la ignorancia; una abundancia cosmológica precisa tampoco es un descubrimiento de partículas.