¿Qué es la Materia oscura y energía oscura?

Conociendo la Materia Oscura y la Energía Oscura

La materia oscura y la energía oscura son conceptos fundamentales en la cosmología moderna, introducidos para explicar observaciones que no pueden ser justificadas únicamente por la materia y la energía visibles. Juntas, estas entidades constituyen alrededor del 95% del contenido total del universo, pero su naturaleza exacta sigue siendo un enigma para la ciencia.

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1. Materia oscura

La materia oscura es una forma de materia que no emite, absorbe ni refleja radiación electromagnética, por lo que no puede ser observada directamente con telescopios. Sin embargo, su existencia se infiere a partir de sus efectos gravitacionales sobre la materia visible, la radiación y la estructura del universo.

Características:

• Interacción gravitacional: Influye en la dinámica de las galaxias y cúmulos de galaxias. Por ejemplo, la velocidad de rotación de las estrellas en las galaxias no puede explicarse solo por la materia visible; la materia oscura proporciona la “gravedad extra” necesaria.
• Distribución: Forma un “halo” invisible que rodea a las galaxias, estabilizándolas y evitando que se desintegren debido a sus rápidas rotaciones.
• Composición desconocida: No está formada por átomos ordinarios (bariones). Los candidatos principales son partículas hipotéticas como:
  • WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles): Partículas masivas que interactúan débilmente.
  • Axiones: Partículas ultraligeras propuestas por teorías de física más allá del Modelo Estándar.

Evidencias observacionales:

• Curvas de rotación galácticas: Las velocidades de las estrellas en los bordes de las galaxias no disminuyen como se esperaría, lo que sugiere la presencia de una masa invisible.
• Lentes gravitacionales: La luz de objetos distantes se curva más de lo que puede explicarse con la materia visible.
• Estructura a gran escala del universo: La distribución de galaxias y cúmulos requiere la influencia gravitacional de la materia oscura para explicar su formación.

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2. Energía oscura

La energía oscura es un concepto que se introdujo para explicar la aceleración de la expansión del universo, observada a través de mediciones de supernovas tipo Ia a finales de los años 90. Se postula que actúa como una fuerza repulsiva que contrarresta la gravedad a escalas cósmicas.

Características:

• Presión negativa: Se comporta como una forma de energía con presión negativa, impulsando la expansión acelerada del universo.
• Dominio energético: Representa aproximadamente el 68% del contenido del universo.
• Composición desconocida: Puede ser:
  • Una constante cosmológica (Λ\Lambda) que Einstein introdujo inicialmente en sus ecuaciones de la Relatividad General.
  • Un campo dinámico conocido como quintaesencia, cuya densidad podría variar con el tiempo.

Evidencias observacionales:

• Supernovas tipo Ia: La luz de estas explosiones indica que el universo se expande cada vez más rápido.
• Radiación de fondo de microondas: La geometría del universo, medida mediante las fluctuaciones en esta radiación, sugiere la existencia de una energía adicional que impulsa la expansión.
• Distribución de estructuras cósmicas: Los patrones de las galaxias en el universo respaldan un modelo donde la energía oscura domina en escalas cósmicas.

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3. Relación entre materia oscura y energía oscura

Aunque ambos conceptos están relacionados con el contenido no visible del universo, cumplen roles opuestos:

• La materia oscura actúa gravitacionalmente, ayudando a mantener las estructuras del universo.
• La energía oscura contribuye a la expansión acelerada, separando dichas estructuras a escalas cosmológicas.

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4. Modelos cosmológicos y desafíos

El modelo estándar de la cosmología ({eq}ΛCDM\Lambda \text{CDM}{/eq}) describe un universo compuesto en un 5% de materia ordinaria, 27% de materia oscura y 68% de energía oscura. Sin embargo:

• La naturaleza exacta de la materia y la energía oscura sigue siendo desconocida.
• Los experimentos en busca de partículas de materia oscura, como detectores subterráneos y colisionadores de partículas, aún no han tenido éxito.
• Modelos alternativos como modificaciones a la gravedad (teorías MOND) se proponen para explicar algunas observaciones sin necesidad de materia oscura.

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Conclusión

La materia oscura y la energía oscura son pilares esenciales para entender el comportamiento y la evolución del universo. Mientras que la materia oscura explica cómo se forman y mantienen las estructuras cósmicas, la energía oscura describe la dinámica de su expansión. Resolver estos misterios es uno de los desafíos más importantes de la física y la cosmología moderna.