Uno de los enigmas más persistentes e importantes de toda la física es: ¿qué es la materia oscura?

Este material invisible y misterioso es aproximadamente cinco veces más abundante en el universo que la materia ordinaria que compone a las personas, los animales, los planetas, las estrellas y todo lo que los seres humanos han podido ver hasta ahora. Aunque los científicos no pueden detectar directamente la materia oscura con telescopios, sí pueden detectar la influencia de su gravedad a gran escala, como la de las galaxias y los cúmulos galácticos.

Pero para resolver el misterio de la materia oscura, los científicos primero necesitan saber: ¿dónde está?

Si bien en intentos anteriores se ha tratado de cartografiar la materia oscura de diversas maneras en todo el cosmos, un nuevo estudio publicado el 26 de enero en la revista Nature Astronomy ofrece el mapa de materia oscura con mayor resolución hasta la fecha. Los nuevos hallazgos se basan en datos del telescopio espacial James Webb y refuerzan la teoría actual de los científicos de que la gravedad de la materia oscura atrajo la materia ordinaria hacia aglomeraciones que se convirtieron en las primeras estructuras del universo.

(El nuevo mapa de materia oscura de Webb muestra cómo la materia oscura (en azul) actúa como el armazón oculto sobre el que se construyen las galaxias visibles. Fotografía de Dr. Gavin Leroy, COSMOS-Webb collaboration)

“Es el andamiaje gravitacional en el que todo lo demás cae y se construye en galaxias. Y en este mapa podemos ver cómo se produce ese proceso”, explica Richard Massey, coautor del estudio y físico de la Universidad de Durham, en el Reino Unido.

Sin la materia oscura, no habría suficiente materia para unir gravitacionalmente las galaxias, y nuestra galaxia, la Vía Láctea, que alberga miles de millones de planetas, incluida la Tierra, no existiría en su forma actual.

Explotación del campo COSMOS

El mapa representa parte de una región del cielo conocida como el campo COSMOS, que ha sido bien estudiada por el telescopio espacial Hubble y otros observatorios. Aunque el nuevo mapa de Webb contiene casi 800 000 galaxias, muchas de las cuales eran desconocidas hasta ahora, su área cubre una pequeña porción del cielo, aproximadamente 2.5 veces más grande que la luna llena.

Cabe destacar que, hace unos 20 años, el Hubble proporcionó imágenes detalladas del campo COSMOS, lo que permitió observar la estructura del universo de una forma revolucionaria para la época. Gracias a los datos de mayor resolución del Webb, los científicos ahora pueden superponer los nuevos datos sobre los antiguos para verificar los análisis anteriores y descubrir nuevas características de los fundamentos del universo.

“Podemos ver que las estructuras coinciden entre sí, pero ahora podemos verlas con mucho más detalle y con mayor precisión. Así que esto es impresionante”, afirma Diana Scognamiglio, investigadora de cosmología del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA, que dirigió el nuevo estudio.

(Hace décadas, los investigadores crearon un mapa de materia oscura del mismo tramo de cielo, llamado campo COSMOS, basándose en las observaciones del telescopio espacial Hubble (que se muestra aquí a la izquierda, con el mapa de Webb a la derecha). Fotografía de Dr Gavin Leroy, Professor Richard Massey, COSMOS-Webb collaboration).

Dado que Webb ve la luz infrarroja, proporciona imágenes de galaxias que se formaron hace miles de millones de años en el universo primitivo. Esto permite a los científicos inferir la presencia de estructuras de materia oscura llamadas filamentos, que forman una “red cósmica” en la que las galaxias se alinean a lo largo de hilos invisibles. “Hay galaxias encadenadas como cuentas dondequiera que vemos materia oscura, a todo tipo de distancias diferentes de nosotros en diferentes momentos desde el Big Bang”, dice Massey.

Los científicos creen que, tras el nacimiento del universo, la materia oscura se aglutinó para formar esta estructura, a la que luego se adhirió la materia ordinaria. El mapa de Webb refuerza esta idea. “Allí donde hay materia oscura, esta atrae la materia ordinaria y comienza a acumularla en un lugar hasta formar estrellas y planetas”, añade el físico.

Cómo construyeron los científicos este mapa de materia oscura

Para detectar indirectamente grandes fuentes de materia oscura en esta zona concreta del cielo, los científicos utilizaron una técnica llamada lente gravitacional.

Un objeto cósmico masivo, como una galaxia o un cúmulo de galaxias, puede hacer que la luz de una fuente más lejana se curve y aparezca distorsionada. En un fenómeno llamado “lente fuerte”, la luz de la fuente lejana se intensifica, de modo que parece ampliada o incluso deformada a su alrededor como un anillo.

Pero en este caso, los investigadores buscaban un “lente débil” más sutil, en el que las formas de las galaxias se distorsionan o desplazan ligeramente porque la materia oscura altera la trayectoria de la luz. Se necesita un gran número de galaxias para calcular la cantidad de materia oscura responsable del efecto de lente débil.

“Las galaxias, o lo que sea que estemos observando, se curvan formando estas formas características, como un espejo de feria o como si miráramos a través de la ventana de una cocina o un baño” explica Massey. “Y calculamos cuánta materia oscura hay determinando cómo ha distorsionado las formas de estas galaxias de fondo”.
(Aquí están los mapas del Hubble (izquierda) y Webb (derecha) de la materia oscura en el campo COSMOS. Las líneas de contorno superpuestas marcan regiones de igual densidad de materia oscura. Fotografía de Dr Gavin Leroy, Professor Richard Massey, COSMOS-Webb collaboration)

Medir la materia oscura de forma indirecta de esta manera es similar a observar los árboles y deducir que el viento provoca el movimiento de las hojas y las ramas, ejemplifica el coautor del estudio. No es tarea fácil cuando se trata de calcular cambios sutiles en cientos de miles de galaxias. Los investigadores observaron la misma zona del cielo con Webb durante 255 horas, lo que representa el mayor estudio del primer año de operaciones científicas del telescopio, que comenzó en 2022.

Más que un simple mapa

Sin embargo, el mapa en sí mismo es solo el comienzo. Rachel Mandelbaum, física de la Universidad Carnegie Mellon que no participó en este estudio, espera con interés los futuros avances científicos que se deriven del mapa, entre los que pueden figurar análisis de la relación entre determinados tipos de galaxias y la cantidad de materia oscura que contienen, su distribución y una mejor comprensión de los “vacíos” galácticos, regiones en las que hay menos galaxias de lo normal.

Estos análisis “nos ayudarán a responder a nuestras preguntas básicas sobre el universo, cómo se distribuye la materia y cómo han evolucionado las galaxias”, afirma.

El mapa de materia oscura de Webb llega justo cuando comienza una época dorada para la exploración del universo oscuro. El telescopio Euclid de la Agencia Espacial Europea, lanzado en 2023, y el telescopio espacial Nancy Grace Roman de la NASA, cuyo lanzamiento está previsto para este otoño, proporcionarán observaciones complementarias de la materia oscura en una franja mucho más amplia del cielo.

 Ambos telescopios han sido diseñados para realizar grandes estudios, mientras que Webb se centra en porciones mucho más pequeñas del cielo con mayor detalle. El nuevo Observatorio Vera C. Rubin en Chile, que publicó sus primeras imágenes en junio de 2025, proporcionará además mapas de galaxias y materia oscura que mejorarán nuestra comprensión científica de este misterio.

El mapa es “un primer paso clave para todos los conocimientos futuros que obtendremos sobre la materia oscura”, asegura Gavin Leroy, investigador de la Universidad de Durham que codirigió el estudio.

Los científicos están trabajando ahora en una versión tridimensional del nuevo mapa de materia oscura de Webb. En combinación con los grandes estudios de otros observatorios, esto permitirá a los científicos centrarse finalmente en las propiedades de la propia materia oscura. Por ejemplo, ¿está formada por partículas masivas y lentas, lo que los científicos denominan “frías”, o por partículas más ligeras y rápidas, “cálidas”?

“Espero que la gente pueda ver esto como una base para otros estudios”, comenta Scognamiglio. “Y que podamos ampliar los datos con otros telescopios y combinarlos para hacer cosmología y comprender realmente qué es la materia oscura”.