Por increíble que parezca la materia que vemos (conocida como materia bariónica o materia ordinaria) representa solo el 5% de la materia total del universo mientras que el 27% es una materia misteriosa a la que conocemos como materia oscura , el 68 % restante es energía oscura pero eso es para un futuro artículo.
¿Qué es la materia oscura?
La materia oscura representa uno de los paradigmas más contraintuitivos y fascinantes de la cosmología moderna. Aunque su existencia fue postulada en la década de 1930 por Fritz Zwicky, cobró verdadera relevancia observacional en los años setenta gracias a las mediciones de curvas de rotación galáctica realizadas por la astrónoma Vera Rubin.
Una curva de rotación galáctica es la gráfica que muestra cómo cambia la velocidad orbital de estrellas o gas en una galaxia conforme aumenta la distancia al centro galáctico.
Partimos del hecho que la velocidad de rotación orbital se define como v(r)=(MG/r)1/2, por lo que de acuerdo con la mecánica newtoniana, en las regiones externas de una galaxia donde la masa luminosa contenida es prácticamente constante, esta velocidad debería exhibir un decaimiento kepleriano proporcional a r1/2. Esto implica que, a medida que nos alejamos del centro galáctico, la velocidad orbital debería disminuir. Sin embargo, las observaciones demostraron que la velocidad permanece constante o “plana” a grandes radios. Este comportamiento cinemático solo es posible si existe una distribución de masa no luminosa —un halo masivo— que estabilice estas curvas (como se observa en la imagen de abajo). A esta componente se le denominó materia oscura.
Este peculiar nombre se da porque es un tipo de materia que es completamente “invisible” al electromagnetismo: no emite, no absorbe y no refleja la luz. Esta ausencia de interacción luminosa es el mayor reto para la astronomía moderna, ya que dificulta enormemente su detección en laboratorios y el entendimiento de su verdadera naturaleza. No obstante, estamos seguros de su existencia debido a que la materia oscura sí interactúa gravitacionalmente. Aunque nuestros telescopios no pueden captarla directamente, podemos “sentir” y medir su inmensa influencia gravitatoria sobre el gas y las estrellas que componen las galaxias.
Lentes gravitacionales
Si la materia oscura es invisible y no emite luz, ¿cómo podemos estar tan seguros de su existencia? ¿Cómo pesamos algo que no podemos ver? Aquí es donde entra en juego una de las predicciones más hermosas de la Relatividad General de Einstein: las lentes gravitacionales.
El efecto de lente gravitacional se produce cuando un objeto masivo, como un cúmulo de galaxias, deforma el espacio-tiempo, provocando que la luz se curve, distorsione y magnifique al pasar alrededor de dicho objeto. Hasta aquí, este fenómeno parece el telescopio natural definitivo ya que al observar cómo se distorsiona y se estira la luz de las galaxias más lejanas, los astrónomos pueden calcular cuánta masa oculta está actuando como una lupa en mitad del camino. De hecho, las lentes gravitacionales son nuestra herramienta estrella para estudiar la materia oscura. Como esta misteriosa sustancia no brilla, no refleja la luz ni interactúa con la materia común, la única forma que tenemos de “verla” es a través del rastro gravitacional que deja en el espacio-tiempo.
Tradicionalmente, para medir cuánta materia oscura hay en un cúmulo de galaxias, los astrónomos toman esas imágenes deformadas por la “lupa cósmica” y utilizan modelos matemáticos globales predefinidos. Es similar a usar un molde rígido: se asume una forma teórica para la masa y se ajusta hasta que encaja con lo que vemos. El gran problema es que los datos reales en el espacio suelen ser muy escasos; tenemos apenas unas pocas imágenes múltiples flotando en enormes extensiones vacías. Al forzar estos modelos globales, las matemáticas se ven obligadas a “rellenar” automáticamente los gigantescos huecos donde no hay datos, inventando grandes cantidades de materia oscura invisible solo para mantener la coherencia matemática del molde elegido.
NASA, WN Colley y E. Turner (Universidad de Princeton), JA Tyson (Bell Labs, Lucent Technologies)
Para romper con este círculo vicioso, la Dra. Jenny Wagner propone un enfoque radicalmente diferente: tirar a la basura los moldes globales y guiarse estrictamente por los hechos observables.
En lugar de intentar adivinar la distribución de la masa en las zonas vacías del cúmulo, su método se concentra única y exclusivamente en las posiciones exactas del cielo donde aparecen las galaxias duplicadas. Analizando minuciosamente cómo se distorsiona el perfil de brillo de estas imágenes, es posible deducir las propiedades gravitacionales puramente locales, obteniendo la máxima información matemática real que los datos pueden ofrecer, sin inventar nada sobre las regiones donde no vemos nada.
¿Cómo funciona exactamente esta técnica sin recurrir a suposiciones globales? La clave está en analizar la transformación geométrica real que sufre la luz.
El marco teórico de este enfoque parte del hecho de que, en las inmediaciones de la posición de una imagen múltiple en el cielo, la densidad de masa bidimensional se mantiene aproximadamente constante. En lugar de modelar todo el cúmulo, las propiedades de la lente se reducen a dos efectos locales fundamentales:
- Un escalado general: Determinado por la densidad de masa local que actúa como una lupa convencional.
- El cizallamiento (shear): Una matriz matemática que captura cómo la masa cercana deforma y estira direccionalmente el perfil de brillo de la galaxia de fondo.
Para calcular estos valores, el equipo hace coincidir características específicas de brillo entre las diferentes imágenes duplicadas observables. Al medir exactamente cómo un “bulto” de luz en la imagen 1 se estiró y distorsionó para convertirse en la imagen 2, se establece una transformación matemática basada puramente en observables. El resultado nos da las propiedades reales de la lente en esos puntos exactos, sin tener que asumir la existencia de halos invisibles en el resto del mapa.
¿El universo tiene menos materia oscura de la que pensamos?
Llegados a este punto, la gran revelación es que muchos de los espectaculares efectos de lente gravitacional que observamos podrían explicarse sin necesidad de inundar el universo con tanta materia oscura. El ensayo (el cual está citado) demuestra que nuestros modelos actuales tienen un problema de “degeneración” , es decir, puedes inventar muchas distribuciones de masa distintas y todas producirán el mismo espejismo cósmico, sobre todo cuando intentamos adivinar qué hay en las enormes zonas oscuras donde no tenemos datos reales.
Lo más importante es que, al haber alcanzado la era impulsada por datos, la astrofísica avanza de manera más eficiente dejando vacíos de conocimiento para ser llenados con futuros datos, en lugar de aferrarse a un conjunto de supuestos de modelos cuyas predicciones han sido difíciles de falsar o respaldar claramente durante décadas [11]. Un camino prometedor hacia adelante regresa a los fundamentos de la Relatividad General, como se estimó en [3]. Si el Sol curva el espacio para duplicar el ángulo de deflexión de las estrellas de fondo en comparación con la formulación newtoniana, la curvatura local de galaxias y cúmulos podría no estar incorporada correctamente en el formalismo cuasi-newtoniano de lentes gravitacionales fuertes. Quizás, la masa faltante que hasta ahora ha eludido una detección directa sea en realidad una perturbación faltante en la curvatura local. Con la comprensión más profunda de las degeneraciones señaladas aquí, esta interpretación se vuelve ahora plausible.
Aunque la materia oscura es un componente fascinante y complejo de la astrofísica moderna, no es el último capítulo de nuestra historia cosmológica. La ciencia es un proceso vivo, nunca estático. Seguimos a la expectativa de nuevas observaciones telescópicas, avances tecnológicos, marcos matemáticos más precisos y, lo más importante, de ideas frescas que desafíen lo establecido y nos ayuden a descifrar los secretos de nuestro universo.
“Este artículo de divulgación está inspirado en la investigación ‘How much dark matter really matters?’, un ensayo escrito por la Dra. Jenny Wagner para la Gravity Research Foundation (2026), el cual tiene detalles matemáticos que vale la pena leer para comprender el porqué de sus conclusiones.
Referencias
Jenny Wagner. How much dark matter really matters?, arXiv e-prints (Essay for the Gravity Research Foundation 2026 Awards for Essays on Gravitation), 2026, Pages 1-14, https://arxiv.org/abs/2605.12593
