Los límites del electromagnetismo oscuro

Imagina un universo donde una sustancia invisible, que no podemos ver ni tocar, juega un papel crucial en la formación de galaxias, estrellas y planetas. Esta sustancia es la materia oscura, una de las grandes incógnitas de la física moderna. Aunque sabemos que la materia oscura existe porque afecta a la gravedad y, en ello, a la estructura del cosmos, no interactúa con la luz ni con las fuerzas electromagnéticas, lo que la hace extremadamente difícil de estudiar. Sin embargo, se han propuesto modelos que sugieren que la materia oscura podría tener su propia versión de las fuerzas electromagnéticas, con partículas que poseen «cargas oscuras» positivas o negativas, generando fuerzas de atracción o repulsión. Un equipo de investigadores ha buscado indicios de estas interacciones en un fenómeno cósmico espectacular: la colisión de dos cúmulos de galaxias. Aunque no han encontrado pruebas de este «electromagnetismo oscuro», sus resultados establecen un límite importante sobre lo intensas que podrían ser las fuerzas asociadas.

¿Qué es la materia oscura y por qué es tan misteriosa?

La materia oscura constituye aproximadamente el 27% de la masa y energía del universo, superando con creces a la materia ordinaria (la que forma estrellas, planetas y a nosotros mismos), que representa solo un 5%. A pesar de su abundancia, la materia oscura es invisible porque no emite, absorbe ni refleja ningún tipo de luz, lo que significa que no participa en las interacciones electromagnéticas. Su presencia solo se detecta indirectamente a través de sus efectos gravitacionales, como su contribución a mantener unidas las galaxias o como distorsiona el espaciotiempo y con ello la trayectoria de la luz de objetos lejanos en un fenómeno llamado lente gravitacional.

Sin embargo, algunos físicos han propuesto que la materia oscura podría no ser tan «inactiva» como parece. En ciertos modelos, las partículas de materia oscura podrían interactuar entre sí a través de una fuerza análoga al electromagnetismo, pero exclusiva de su propio «mundo oscuro». Estas partículas podrían tener cargas positivas o negativas, similares a los electrones y protones, lo que les permitiría atraerse o repelerse. Si esta fuerza existiera, cambiaría nuestra comprensión de cómo la materia oscura se comporta y se distribuye en el universo.

Un experimento cósmico: La colisión del cúmulo Bala

Para buscar pruebas de este «electromagnetismo oscuro»,  los investigadores analizaron un evento astronómico extraordinario: la colisión del cúmulo Bala, un sistema de dos cúmulos de galaxias que se encuentra a varios miles de millones de años luz de la Tierra. En este evento, un cúmulo más pequeño (la «bala» propiamente dicha) ha atravesado a gran velocidad un cúmulo más grande y ahora se está alejando de él. Este fenómeno es como un laboratorio natural a escala cósmica, ideal para estudiar cómo se comportan los diferentes componentes de las galaxias: la materia ordinaria (en forma de plasma caliente), las estrellas y la materia oscura.

En un estudio anterior, el mismo equipo simuló cómo dos nubes de plasma (gas ionizado compuesto por partículas cargadas) se comportan cuando colisionan y se atraviesan. Descubrieron que, al fusionarse, las interacciones electromagnéticas entre las partículas cargadas generan inestabilidades que redistribuyen la energía, ralentizando las nubes y aumentando la variedad de sus temperaturas. Este comportamiento es exactamente lo que observamos en la materia ordinaria del cúmulo Bala: los plasmas de los dos cúmulos se han frenado debido a estas interacciones electromagnéticas.

Sin embargo, la materia oscura cuenta una historia diferente. Los astrónomos pueden inferir su distribución en los cúmulos a través de los efectos de lente gravitacional, en los que la gravedad de la materia oscura curva la luz de objetos distantes. En el cúmulo Bala, la materia oscura de ambos cúmulos parece haber atravesado la colisión sin ralentizarse ni dispersarse, como si solo estuviera afectada por la gravedad y no por ninguna otra fuerza. Esta falta de interacción entre las partículas de materia oscura sugiere que, si existe un electromagnetismo oscuro, debe ser mucho más débil que el electromagnetismo convencional.

Un límite al electromagnetismo oscuro

El equipo no ha encontrado indicios de interacciones entre las partículas de materia oscura, lo que permite establecer un límite superior sobre la intensidad de cualquier posible electromagnetismo oscuro. En otras palabras, si esta fuerza existe, es tan débil que no produce efectos observables en la distribución de la materia oscura durante la colisión del cúmulo Bala. Este resultado descarta muchos de los modelos más simples que proponen interacciones fuertes entre partículas de materia oscura, obligando a los teóricos a refinar sus ideas.

Este hallazgo es significativo porque reduce el rango de posibilidades sobre la naturaleza de la materia oscura. Por ejemplo, descarta planteamientos en los que las partículas de materia oscura interactúan con la misma intensidad que las partículas cargadas de la materia ordinaria. Además, proporciona rangos en los que buscar efectos en experimentos futuros diseñados para detectar directamente partículas de materia oscura en laboratorios subterráneos. Estos experimentos buscan señales de partículas de materia oscura que chocan con detectores supuestamente sensibles, y saber que las interacciones entre ellas son débiles ayuda a ajustar las expectativas y los diseños experimentales.

Futuros pasos

El estudio del cúmulo Bala no solo nos acerca a comprender la materia oscura, sino que también demuestra el poder de combinar observaciones astronómicas con simulaciones y modelos teóricos. Fenómenos como la colisión de cúmulos de galaxias ofrecen una ventana única para probar ideas que serían imposibles de estudiar en un laboratorio terrestre. Además, este tipo de investigación fomenta la colaboración entre astrónomos, físicos teóricos y expertos en simulación, uniendo disciplinas para abordar uno de los mayores misterios del universo.

Mirando hacia el futuro, los científicos planean estudiar otros sistemas de colisión de galaxias y mejorar las simulaciones para explorar escenarios más complejos. También esperan que avances en telescopios, como el Observatorio Vera C. Rubin, proporcionen datos más precisos sobre la distribución de la materia oscura, lo que podría proporcionar pistas sobre sus interacciones. Mientras tanto, experimentos de detección directa, como los que se realizan en laboratorios subterráneos en todo el mundo, seguirán buscando señales de partículas de materia oscura, complementando los estudios cósmicos.

Este trabajo nos recuerda que el universo está lleno de fenómenos que desafían nuestra comprensión, pero también que la curiosidad humana y el ingenio científico están a la altura del desafío. Cada límite que establecemos, cada modelo que refinamos, nos lleva un paso más cerca de descifrar los secretos del cosmos.

Referencias:

Schoeffler, K., et al. (2025) Can plasma physics establish a significant bound on long-range dark matter interactions? Physical Review D  doi: 10.1103/PhysRevD.111.L071701

Shukla, N., et al. (2022) Slowdown of interpenetration of two counterpropagating plasma slabs due to collective effects Physical Review E doi: 10.1103/PhysRevE.105.035204

Stephens. M. (2025) Intergalactic Collision Constrains Dark Electromagnetism Physics 18, s48

NASA Chandra X-ray Observatory (2022) NASA Finds Direct Proof of Dark Matter.

Cuaderno de Cultura Científica – Materia oscura

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance

El artículo Los límites del electromagnetismo oscuro se ha escrito en Cuaderno de Cultura Científica.