Si un extraterrestre consiguiera visitar nuestro Universo desde una realidad paralela, es muy probable que ni siquiera se diera cuenta de que existimos.

En cierto modo eso es obvio: el Universo es enorme y nuestro planeta no es más que un pequeño y pálido punto azul. Pero es peor que eso: los extraterrestres podrían ni siquiera notar todas las estrellas y los planetas que las orbitan. Incluso podrían pasar por alto las vastas nubes de polvo que flotan en el espacio.

Todas estas cosas conocidas sólo constituyen una fracción de la materia de nuestro Universo. El resto es algo más, un material que nadie en la Tierra ha visto nunca.

A falta de un nombre mejor, los físicos llaman a este material «materia oscura». Si no estuviera ahí, las galaxias volarían en pedazos. Nadie sabe lo que es, pero los físicos están tras su pista.

Todo lo que ves a tu alrededor, desde tu propio cuerpo hasta el planeta que pisas y las estrellas en el cielo, está hecho de átomos. Éstos, a su vez, están formados por partículas más pequeñas como protones y neutrones, muchas de las cuales pueden descomponerse aún más.

Cuando los físicos empezaron a comprender la composición de los átomos a principios del siglo XX, parecía que estábamos a punto de entender la base de toda la materia del Universo.

Pero en 1933, un astrónomo suizo llamado Fritz Zwicky comenzó a argumentar que la mayor parte del Universo tenía que estar hecha de algo completamente distinto.

Zwicky contó todo el material que pudo observar en grupos de galaxias. Descubrió que no había suficiente materia para explicar la fuerza de la gravedad que las mantenía unidas.

Este era un teórico loco que no podía conseguir que sus fuerzas se sumaran

Las galaxias que Zwicky observó también giraban tan rápido que deberían haber salido despedidas y dispersadas por todos los rincones del Universo, dice Richard Massey, de la Universidad de Durham, en el Reino Unido. Cada galaxia era como un tiovivo que gira demasiado rápido: cualquier jinete saldría despedido.

Zwicky se dio cuenta de que debía haber algo más allí, que no podía observar directamente, pero que tenía una atracción gravitatoria lo suficientemente fuerte como para mantener todo unido. Dijo que esta forma desconocida de materia era «oscura».

En su momento fue considerado un excéntrico y sus teorías no fueron tomadas en serio. «Se trataba de un teórico loco que no conseguía que sus fuerzas cuadraran, por lo que inventó toda una nueva forma de materia», dice Massey.

El trabajo de Zwicky cayó en el olvido hasta la década de 1970, cuando la astrónoma Vera Rubin descubrió que las galaxias cercanas no giraban de forma correcta.

Algo debía haber para evitar que estas estrellas salieran volando

En nuestro sistema solar, se aplica una regla sencilla. Cuanto más lejos está un planeta del Sol, más débil es la fuerza de gravedad. Como resultado, este planeta se moverá más lentamente y tardará más en completar una órbita.

La misma lógica debería aplicarse a las estrellas que orbitan el centro de una galaxia. Las estrellas más alejadas deberían moverse más lentamente a medida que el agarre de la gravedad se debilita.

En cambio, Rubin descubrió que las estrellas más alejadas se mueven con la misma rapidez que las estrellas cercanas.

Algo debe haber para evitar que estas estrellas salgan volando. Después de todo, Zwicky había estado en el camino correcto.

Los astrónomos creen ahora que la materia oscura ha sido fundamental en la creación del Universo tal y como lo conocemos.

La materia oscura es como el viento: no podemos verla directamente, pero sabemos que está ahí

Hace casi 14.000 millones de años, momentos después del Big Bang, el Universo comenzó a expandirse rápidamente y empezaron a formarse cúmulos de galaxias.

Sin embargo, el Universo no se expandió tan rápido como para que todas estas galaxias salieran volando hacia rincones lejanos. Esto se debe a que la materia oscura lo mantiene todo unido, a pesar de ser invisible.

En cierto sentido, la materia oscura es como el viento: no podemos verla directamente, pero sabemos que está ahí. Es más, hay mucha: alrededor del 25% del Universo.

Confusamente, a veces se dice que la materia oscura constituye alrededor del 80% de toda la materia del Universo. Eso es porque sólo el 30% del Universo está formado por materia, y la mayor parte es materia oscura. El resto es energía.

Ya en la década de los ochenta, aparecieron las primeras pruebas sólidas de la existencia de la materia oscura.

La materia oscura es el esqueleto del que pende la materia ordinaria

Por ejemplo, en 1981 un equipo dirigido por Marc Davis, de la Universidad de Harvard, realizó uno de los primeros estudios galácticos. Se dieron cuenta de que las galaxias no estaban dispuestas en un patrón uniforme. No están «esparcidas como la guinda de un pastel», dice Carlos Frenk, de la Universidad de Durham (Reino Unido).

En cambio, las galaxias se agrupan en grandes cúmulos, cada uno de los cuales contiene cientos de miles de galaxias. Éstas forman un intrincado patrón conocido como «red cósmica». Esta red está unida por la materia oscura.

En otras palabras, la materia oscura es el esqueleto del que cuelga la materia ordinaria, dice Carolin Crawford de la Universidad de Cambridge en el Reino Unido. «Sabemos que tenía que estar presente en el Universo primitivo. Es crucial que esa materia se agrupe para luego desarrollar las estructuras que vemos»

El descubrimiento de estos cúmulos causó sensación, dice Frenk. Davis, su jefe por aquel entonces, le retó a que averiguara por qué las galaxias estaban dispuestas de esta manera.

Cuando Frenk comenzó su búsqueda, descubrió que alguien afirmaba habérsele adelantado. En 1980, un equipo ruso dirigido por VA Lyubimov había expuesto una posible explicación de la materia oscura. Propusieron que estaba hecha de neutrinos.

Encontramos que un Universo con materia oscura caliente no se parecía en nada a un Universo real

Tenía cierto sentido. Los neutrinos son partículas oscuras y fantasmales que apenas interactúan con nada más. Los investigadores sugirieron que la masa combinada de todos los neutrinos del Universo podría explicar la masa perdida.

Había un problema. Los neutrinos son «materia oscura caliente», lo que significa que son ligeros y, por tanto, capaces de moverse rápidamente. Cuando Frenk simuló un cosmos lleno de materia oscura caliente, descubrió que no podía funcionar.

«Para nuestra gran decepción, descubrimos que un Universo con materia oscura caliente no se parecía en nada a un Universo real», dice Frenk. «Era bonito, pero no uno en el que vivimos. Había un enorme supercúmulo de galaxias, que sabíamos que no existía».

En cambio, la materia oscura debía ser fría y de movimiento lento. El siguiente paso fue averiguar dónde se encuentra esta materia oscura fría.

Aunque no podemos verla directamente, la materia oscura hace una cosa para delatarse. Dobla la luz que la atraviesa. Es un poco como cuando la luz brilla a través de una piscina o de una ventana de baño esmerilada.

Al menos tenemos una idea aproximada de dónde está la materia oscura

El efecto se llama «lente gravitacional» y se puede utilizar para averiguar dónde están las nubes de materia oscura. Mediante esta técnica, los científicos están creando mapas de la materia oscura del Universo.

De momento sólo han cartografiado una parte. Pero el equipo que está detrás de uno de estos proyectos tiene objetivos ambiciosos, ya que espera cartografiar una octava parte de nuestro Universo, lo que equivale a millones de galaxias. Para ponerlo en contexto, nuestra propia galaxia, la Vía Láctea, contiene miles de millones de estrellas y posiblemente hasta 100.000 millones de planetas.

Por ahora estos mapas son demasiado burdos para mostrar cualquier detalle. Es como decir que tienes una idea básica de los continentes de la Tierra, pero lo que realmente te interesa son las formas de las montañas y los lagos, dice Gary Prezeau, del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la Nasa en el Instituto Tecnológico de California.

Aún así, al menos tenemos una idea aproximada de dónde está la materia oscura. Pero todavía no sabemos qué es.

Se han propuesto varias ideas, pero ahora mismo la sugerencia más popular es que la materia oscura está hecha de un nuevo tipo de partículas, predichas por la teoría pero nunca detectadas. Se denominan WIMP: Weakly Interacting Massive Particles (Partículas Masivas de Interacción Débil).

El término «WIMP» es sólo un eslogan, y podría incluir muchos tipos diferentes de partículas

Las WIMP son débiles en todos los sentidos del mundo, dice Anne Green, de la Universidad de Nottingham, en el Reino Unido. En primer lugar, apenas interactúan entre sí, y mucho menos con la materia normal. Cuando uno golpea una pared, su mano choca con ella, pero cuando una WIMP choca con una pared o con ella misma, normalmente la atraviesa directamente.

La segunda parte del acrónimo habla por sí sola. Los WIMP tienen mucha masa, aunque no son necesariamente grandes. Podrían pesar cientos o miles de veces más que un protón, dice Green.

La cosa es que no lo sabemos.

El término «WIMP» es sólo un eslogan, y podría incluir muchos tipos diferentes de partículas, dice Massey. Y lo que es peor, al ser supuestamente tan fantasmagóricas, son extremadamente difíciles de detectar.

En este punto puede que estés levantando los brazos en señal de frustración. «Primero decidieron que hay toda esta materia invisible, ¡ahora han decidido que está hecha de un nuevo tipo de materia que no pueden detectar! Esto es una tontería». Bueno, no eres la primera persona que lo dice.

Desde 1983, algunos físicos han estado argumentando que la materia oscura no existe en absoluto. En su lugar, las leyes de la gravedad tal y como las conocemos deben estar equivocadas, y por eso las galaxias se comportan de forma tan extraña. Esta idea se denomina MOND, abreviatura de «Dinámica Newtoniana Modificada».

Cualquiera que quiera inventar una nueva teoría de la gravedad tiene que ir más allá de Einstein

«Estamos interpretando todos estos tiovivos del Universo, cómo están zumbando y siendo arrastrados por la gravedad, asumiendo que sabemos cómo funciona la gravedad», dice Massey. «Tal vez nos equivocamos con la gravedad y estamos malinterpretando las pruebas».

El problema, dice Massey, es que los partidarios de MOND no han presentado una alternativa viable a la materia oscura: sus ideas no pueden explicar los datos. «Cualquiera que quiera inventar una nueva teoría de la gravedad tiene que superar a Einstein y explicar todo lo que él fue capaz de explicar, y también dar cuenta de la materia oscura».

En 2006, la NASA publicó una imagen espectacular que, para muchos investigadores, acabó con MOND para siempre.

La imagen muestra dos enormes cúmulos de galaxias colisionando. Como la mayor parte de la materia es claramente visible en el centro, es donde se esperaría que existiera la mayor parte de la gravedad.

Hay tres formas diferentes de encontrar materia oscura

Pero las regiones exteriores muestran luz que también está siendo doblada por la gravedad, lo que implica que hay otra forma de materia en esas áreas. La imagen fue aclamada como una prueba directa de la existencia de la materia oscura.

Si eso es cierto, estamos de nuevo donde estábamos. El reto es encontrar la materia oscura cuando no sabemos lo que estamos buscando.

Puede sonar peor que el viejo problema de la aguja en el pajar, pero en realidad hay tres formas diferentes de encontrarla.

La primera forma es observar la materia oscura en acción en el cosmos. Observando cómo se comporta mediante los «mapas» de materia oscura existentes, los astrónomos pueden ser capaces de detectar un choque ocasional.

Han encontrado una zona de nuestra Vía Láctea que parece brillar con rayos gamma

Las partículas de materia oscura suelen atravesar la materia normal. Pero su gran número hace que, muy ocasionalmente, algunas choquen con el núcleo de un átomo.

Cuando esto ocurre, la materia oscura «patea» el átomo, haciéndolo retroceder como una bola de billar. Esta colisión debería crear rayos gamma: luz de altísima energía. En estas raras ocasiones, «la materia oscura puede brillar», dice Frenk.

«Hay experimentos de detección directa que buscan estos retrocesos nucleares», dice Green.

En 2014, utilizando datos del potente telescopio Fermi de la NASA, los investigadores afirmaron haber detectado los rayos gamma de estas colisiones. Encontraron una zona de nuestra Vía Láctea que parece brillar con rayos gamma, posiblemente de la materia oscura.

Los patrones se ajustan a los modelos teóricos, pero el jurado aún no sabe si los rayos gamma proceden realmente de la materia oscura. También podrían proceder de estrellas energéticas llamadas púlsares, o de estrellas en colapso.

Además de colisionar con la materia normal, la materia oscura podría chocar ocasionalmente contra sí misma, y también hay una forma de verlo.

No se puede coger una nube de materia oscura del tamaño de una galaxia y ponerla bajo un microscopio

El equipo de Massey ha monitorizado recientemente galaxias que chocan entre sí. Esperaban que toda la materia oscura de las galaxias pasara directamente, pero, en cambio, parte de ella se ralentizó, quedándose detrás de la galaxia a la que pertenecía.

Esto indica que había interactuado con otra materia oscura. «Si lo hizo, es la primera prueba de que le importa un poquito el resto del mundo», dice Massey.

Ambos métodos tienen un gran inconveniente: no se puede coger una nube de materia oscura del tamaño de una galaxia y ponerla bajo el microscopio. Son demasiado grandes y están demasiado lejos.

Así que una segunda forma de detectar la materia oscura sería crearla primero.

Los físicos esperan hacer precisamente eso utilizando colisionadores de partículas, como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en Ginebra, Suiza.

El LHC hace chocar protones a velocidades cercanas a la de la luz. Estas colisiones son lo suficientemente potentes como para descomponer los protones en sus partes constituyentes. El LHC estudia entonces estos restos subatómicos.

Durante estas potentes colisiones, podrían descubrirse nuevas partículas como las WIMP, afirma Malcolm Fairbairn, del Kings College de Londres, en el Reino Unido.

«Si las WIMP constituyen la materia oscura y las descubrimos en el LHC, tendremos muchas posibilidades de averiguar de qué está compuesta la materia oscura del Universo», afirma.

Sin embargo, si la materia oscura no es como un WIMP, el LHC no la detectará.

Los científicos están esperando las raras ocasiones en que los WIMPs colisionan con la materia normal

Hay otra dificultad. Si el LHC crea algo de materia oscura, en realidad no se registraría en sus detectores.

En su lugar, el sistema podría encontrar un grupo de partículas moviéndose en una dirección pero nada en la otra, dice Fairbairn. La única manera de que esto ocurra es que haya algo más en movimiento que los detectores no puedan captar. «Eso podría ser entonces una partícula de materia oscura»

Si esto también falla, los físicos tienen una tercera opción a la que recurrir: viajar a las profundidades del subsuelo.

En viejas minas y en el interior de las montañas, los científicos esperan las raras ocasiones en las que las WIMP colisionan con la materia normal, el mismo tipo de colisiones que el telescopio Fermi podría haber observado en el espacio profundo.

Millones de partículas de materia oscura pasan por nosotros cada segundo. «Están en su oficina, en su habitación, en todas partes», dice Frenk. «Atraviesan nuestros cuerpos a un ritmo de miles de millones por segundo y no sentimos nada».

Ha habido algunas falsas alarmas en el camino

En teoría deberíamos ser capaces de detectar los pequeños destellos de rayos gamma de estas colisiones. El problema es que también pasan muchas otras cosas, incluida la radiación en forma de rayos cósmicos, y esto empapa la señal de la materia oscura.

De ahí los experimentos subterráneos: las rocas de arriba bloquean la mayor parte de la radiación, pero permiten el paso de la materia oscura.

Hasta ahora, la mayoría de los físicos coinciden en que aún no hemos visto ninguna señal convincente de estos detectores. Un artículo publicado en agosto de 2015 explica que el detector XENON100 del Laboratorio Nacional Gran Sasso de Italia no ha encontrado nada.

Ha habido algunas falsas alarmas por el camino. Otro equipo del mismo laboratorio, utilizando un detector diferente, ha afirmado durante años que su experimento DAMA había detectado materia oscura. Parece que han encontrado algo, pero la mayoría de los físicos dicen que no es un WIMP.

Uno de estos detectores, o el LHC, puede encontrar todavía algo de materia oscura. Pero encontrarla en un solo lugar no será suficiente.

Es un humilde recordatorio de lo mucho que nos queda por recorrer antes de entender realmente nuestro Universo

«En última instancia, tendremos que descubrir la materia oscura de más de una forma para estar seguros de que lo que observamos en el laboratorio es la misma cosa que vuela por las galaxias», dice Fairbairn.

Por ahora, la mayor parte de nuestro Universo sigue siendo oscura, y no está claro cuánto tiempo permanecerá así.

Algunos cosmólogos, Frenk entre ellos, tienen la esperanza de que obtendremos algunas respuestas en la próxima década. Otros, como Green, tienen menos confianza. Si el LHC no encuentra algo pronto, dice, probablemente estamos buscando la cosa equivocada.

Han pasado más de 80 años desde que Zwicky sugirió por primera vez la existencia de la materia oscura. En todo ese tiempo, no hemos sido capaces de conseguir una muestra, ni de precisar lo que es.

Es un humilde recordatorio de lo mucho que nos queda por recorrer antes de entender realmente nuestro Universo. Podemos entender todo tipo de cosas, desde el principio del Universo hasta la evolución de la vida en la Tierra. Pero la mayor parte de nuestro Universo sigue siendo una caja negra, con sus secretos esperando a ser desvelados.

Melissa Hogenboom es escritora de artículos de BBC Earth, es @melissasuzanneh en twitter.

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