Materia invisible en el Universo Vladimir Avila-Reese Instituto de Astronomía, UNAM 1. Introducción. Durante muchas décadas las observaciones astronómicas han mostrado que la dinámica interna de las galaxias, así como de los sistemas que ellas conforman, implica la presencia de fuerzas gravitatorias faltantes. Por otro lado, para garantizar en el Universo temprano la supervivencia de las semillas de formación de galaxias, se requiere del dominio de una componente de materia oscura fría exótica (no bariónica), es decir aquella que no interactúa con la radiación y que por ende es invisible. Estos y otros aspectos de la realidad cósmica, en un contexto unificado -como suele ser en la astronomía- han conducido al desarrollo, en los últimos 20 años, de un escenario cosmológico y cosmogónico donde la materia oscura (MO) globalmente es cinco veces más abundante que la materia bariónica, constituyendo ambas alrededor del 27% de la densidad de materia-energía del Universo actual. El restante 73% parece estar asociado a una componente repulsiva responsable de la expansión acelerada reciente del espacio, misma que fue bautizada como energía oscura. Los problemas de la materia y energía oscuras, aparentes componentes invisibles que actualmente contribuyen con más del 95% a la densidad de materia-energía del Universo, son centrales en la Astronomía, Cosmología, Física de Partículas Elementales y disciplinas afines. Estos problemas han planteado las bases de lo que se puede considerar como el inicio de una nueva revolución científica. A continuación presentaré una breve revisión de: las principales evidencias observacionales de fuerzas gravitatorias faltantes (S. 2), la necesidad de introducir MO exótica en la formación de estructuras cósmicas y el éxito de esta propuesta (S. 3), y los candidatos más viables de MO, su detección y alternativas (S. 4). Finalmente presentaré algunas reflexiones conclusivas (S. 5). 2. Evidencias observacionales de materia oscura. Los sistemas gravitacionalmente ligados más grandes del Universo son los cúmulos de galaxias. En los años 30 el astrónomo F. Zwicky midió las velocidades radiales de las galaxias en el cúmulo cercano de Coma y calculó las velocidades aleatorias promedio con relación a la velocidad promedio del cúmulo. Las velocidades orbitales de las galaxias en los cúmulos son balanceadas por la gravedad total del cúmulo. Zwicky, usando dinámica newtoniana, encontró que las velocidades orbitales implican una masa dinámica más de un orden de magnitud mayor a la esperada de sumar las masas luminosas de todas las galaxias pertenecientes al cúmulo: éste literalmente tendría que estar explotando; pero no, se encuentra en equilibrio virial. Tal resultado indujo a Zwicky a proponer que en los cúmulos hay una enorme cantidad de materia “escondida” responsable de producir la gravedad que balancea la alta dispersión de velocidad de las galaxias. Hoy en día sabemos que en los cúmulos existe una gran cantidad de gas caliente que emite en rayos X y que suma dos o más veces la masa luminosa de todas sus galaxias (suponiendo equilibrio virial, la distribución espacial de temperatura de este gas es un

trazador también de la masa dinámica de los cúmulos). Sin embargo, incluso tomando en cuenta la gravedad que produce el gas intracúmulo, la deficiencia de masa sigue siendo considerable; grosso modo, la masa dinámica de los cúmulos está constituida en un 5% por las galaxias luminosas, 10% por el gas caliente y el resto por materia no luminosa. La comunidad astronómica tomó con reserva el resultado de Zwicky pero la primera vertiente del concepto de MO empezó a fluir desde entonces. En las décadas posteriores nuevas vertientes acrecentaron el río de evidencias observacionales de fuerzas faltantes en sistemas dinámicos astronómicos. Por ejemplo, la dinámica de pares y grupos de galaxias inferida por las órbitas de sus componentes implicaba masas totales de esos sistemas mucho mayores a la suma de las masas luminosas de sus componentes. Incluso exagerando en los cocientes de masa estelar a luminosidad, Ms/L, que se usan para pasar de L a Ms, las fracciones de MO inferidas siguen siendo altas. La vertiente más caudalosa llegaría en la década de los 70 y principios de los 80 con mediciones de las curvas de rotación Vrot(r) de galaxias individuales de disco por parte de astrónomos como V. Rubin, M. Roberts, A. Bosma entre otros. Este tipo de galaxias, mismas que en número son cerca del 80% en el Universo local, mantienen equilibrio centrífugo, lo cual, en una primera aproximación, suponiendo esfericidad y órbitas circulares, significa Vrot2 = Vc2 = GM(