Bienvenidos a la "dimensión oscura": Esta hipótesis podría explicar el 95% del cosmos
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La versión original de este artículo apareció en la revista Quanta Magazine.
Para quienes ven el mundo como un lugar oscuro, el universo parece ofrecer poco consuelo. Según las estimaciones actuales, aproximadamente el 70% de la materia que compone el cosmos está formada por energía oscura, una fuerza desconocida que impulsa la expansión del espacio. Otro 25% está formado por materia oscura, un material misterioso que mantiene unidas a las galaxias.
Pero, semánticamente hablando, la energía oscura y la materia oscura no son tanto "oscuras" como invisibles. No emiten, reflejan ni absorben luz, y hasta ahora ha resultado imposible observarlas directamente. Generalmente, la energía oscura y la materia oscura se consideran entidades separadas, y su carácter esquivo es su principal vínculo. Sin embargo, observaciones astronómicas recientes han impulsado a los científicos a profundizar en una idea menos popular: que ambas están, de hecho, físicamente interconectadas.
En 2024, el equipo de investigación conocido como Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura (DESI), halló pruebas de que la intensidad de la energía oscura, a veces denominada "constante cosmológica", había perdido su supuesta constancia. Un estudio de 2025, basado en más del doble de datos, también concluyó que la energía oscura estaba cambiando con el tiempo.
Estos resultados indican que, tras alcanzar un valor máximo hace unos 2,000 millones de años, la energía oscura podría haber comenzado a debilitarse. Sin embargo, también sugieren que, en una época anterior, la energía oscura podría haberse fortalecido, desafiando aparentemente la ley de conservación de la energía.
Los investigadores describen esto como la entrada de energía oscura en el "régimen fantasma". Comparan la situación con una pelota rodando cuesta arriba. Ciertamente es posible, pero solo si la pelota está bajo la influencia de algo distinto a la gravedad.
Una sección de un mapa 3D producido por el equipo del Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura muestra filamentos conectados de galaxias que forman la estructura de nuestro universo.
Quanta Magazine
Un número creciente de teóricos está investigando la posibilidad de que lo que influye en la energía oscura sean sus vínculos con la materia oscura. "Aunque los científicos han asumido que la energía oscura y la materia oscura no tienen nada que ver entre sí, se puede imaginar un caso en el que una influya en la otra. Y no sería sorprendente que ambas fueran manifestaciones de una especie de teoría unificada del universo oscuro", refiere Tim Tait, físico de partículas de la Universidad de California, Irvine.
Interacciones oscuras
La idea de que la energía oscura y la materia oscura interactúan no es nueva. En 2005, Justin Khoury, físico de la Universidad de Pensilvania, investigó esta posibilidad. En ese estudio, él y dos coautores plantearon una pregunta hipotética: ¿Podría existir una forma de energía oscura cuya densidad energética aumentara con el tiempo? Descubrieron que, si la energía oscura y la materia oscura se influyeran mutuamente, podrían producir un comportamiento que parecía (pero no era) fantasma. "Es la forma más natural y sencilla de lograrlo", afirmó Khoury.
Dos décadas después, el proyecto DESI descubrió que la energía oscura podría estar cambiando con el tiempo. Este resultado impulsó a Khoury y a dos colegas de Pensilvania, Meng-Xiang Lin y Mark Trodden, a construir un modelo de interacciones oscuras basado en un análogo del sector oscuro de la cromodinámica cuántica, una teoría fundamental de la física de partículas. En el nuevo modelo, tanto la densidad de energía de la energía oscura como la masa de la materia oscura cambian de forma conjunta.
Otro estudio reciente plantea algo similar. Según este modelo, publicado en enero en la revista Physical Review D, la materia oscura podría haber transferido una pequeña fracción de su energía a la energía oscura durante una era anterior de la historia cósmica. "La materia oscura es el principal freno de la expansión del universo", emitió una de las autoras, Elsa Teixeira, cosmóloga de la Universidad de Montpellier en Francia, por lo que una disminución de dicho freno habría provocado una aceleración de la expansión del universo.
Elsa Teixeira, cosmóloga de la Universidad de Montpellier en Francia, investigó un modelo cosmológico en el que interactúan la energía oscura y la materia oscura.
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La aparición de comportamientos fantasma es el resultado de la contabilidad, afirmó David Andriot, físico del CNRS, el Centro Nacional Francés de Investigación Científica. "Cualquier cambio o evolución de la masa de la materia oscura se ha incluido en la categoría de energía oscura", explicó Andriot, quien presentó su propio modelo acoplado de energía oscura y materia oscura en mayo de 2025.
Cumrun Vafa, físico de la Universidad de Harvard, coincidió: "La idea de que se puede calcular la energía oscura independientemente de la materia oscura es errónea. Esa suposición, frecuente entre los cosmólogos y también seguida por el equipo DESI, condujo a un comportamiento fantasma físicamente inaceptable".
Los hallazgos de DESI no son la única razón para considerar una asociación entre la energía oscura y la materia oscura. El estudio reciente de Teixeira y sus colegas muestra cómo permitir que ambas interactúen puede mitigar uno de los problemas más persistentes de la cosmología: la tensión de Hubble.
El tema en cuestión es la tasa de expansión actual del universo, conocida como la constante de Hubble. Su valor se puede medir utilizando la luz del universo primitivo, que nos permite observar cómo crecía el cosmos en sus inicios. También se puede medir a partir de fenómenos más recientes, como las explosiones estelares llamadas supernovas, que revelan cómo crece el universo actualmente.
Estudiar la luz de supernovas como esta, el destello de luz en la parte inferior derecha de una imagen del Telescopio Espacial Hubble, puede informarnos sobre la tasa de expansión del universo.
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Según el modelo cosmológico estándar, la tasa de expansión debería ser la misma independientemente de cómo se mida. Sin embargo, en los últimos años, los científicos han descubierto que la tasa de expansión del universo primitivo y la del universo más reciente difieren en aproximadamente un 9%.
Esa discrepancia, o tensión, "ha provocado debates en la comunidad cosmológica sobre si esta diferencia podría deberse a errores sistemáticos o si es una señal de nueva física", escribieron Teixeira y sus coautores. Su modelo postula que, en un mundo donde la energía oscura y la materia oscura interactúan, lo que parecía una crisis causada por tasas de expansión dispares se convierte en algo previsible.
Una dimensión oscura
"Si la energía oscura y la materia oscura interactúan, podría significar que tienen un origen común", argumentó Khoury. Las investigaciones en curso sobre la teoría de cuerdas, la idea de que nuestro universo, en su nivel más básico y fundamental, está compuesto de cuerdas vibrantes, sugieren una posible conexión entre estos conceptos. En 2019, partiendo de la idea de que la energía oscura varía de forma natural, Vafa y dos colaboradores concluyeron que la masa de las partículas de materia oscura también podría variar con el tiempo. Esto los llevó a proponer en 2022 que la materia oscura y la energía oscura podrían estar vinculadas a la denominada dimensión oscura.
La teoría de cuerdas postula la existencia de seis o siete dimensiones adicionales, además de las tres dimensiones espaciales y la temporal que ya conocemos. Se cree que todas estas dimensiones son tan pequeñas como es físicamente posible, cercanas a la escala de Planck (10⁻³⁵ metros), pero los investigadores propusieron que la dimensión oscura podría ser significativamente mayor que las demás, del orden de un micrón (10⁻⁶ metros).
Los gravitones, partículas teóricas que imparten la fuerza de la gravedad, podrían filtrarse a esta dimensión oscura ampliada. De ser así, adquirirían masa y se convertirían en lo que se conoce como gravitones oscuros. Estos gravitones masivos residirían en la dimensión oscura, pero sus efectos gravitacionales podrían sentirse en otras dimensiones, lo que les permitiría cumplir la función que normalmente se atribuye a la materia oscura.
Cumrun Vafa, físico de la Universidad de Harvard, cree que la masa de la materia oscura puede variar con el tiempo.
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En este escenario, "existe un acoplamiento muy natural entre la energía oscura y la materia oscura", indicó Georges Obied, físico de la Universidad de Chicago. Los cambios en el tamaño de la dimensión oscura afectarían tanto a la energía oscura como a la materia oscura.
En un artículo de julio de 2025, Obied y Vafa, junto con Alek Bedroya de Princeton y David Wu de Harvard, descubrieron que el escenario propuesto en 2019 era consistente con los datos de DESI. Su modelo predice que la intensidad de la energía oscura y la masa de la materia oscura disminuirán con el tiempo y que la velocidad a la que cambia la energía oscura será proporcional a su densidad energética. Dado que las mediciones astrofísicas indican que la densidad energética de la energía oscura es extraordinariamente pequeña, "no cambiará rápidamente", afirmó Vafa.
"No es sorprendente que no lo hayamos visto hasta ahora, porque la tasa de cambio es ínfima. Tuvimos que esperar toda la edad del universo para detectar algo tan pequeño", añadió. Si la materia oscura está ligada a la energía oscura, las partículas de materia oscura podrían interactuar entre sí mediante una nueva fuerza de largo alcance, independiente de la gravedad. La buena noticia, según Obied, es que "podría haber métodos astrofísicos para comprobarlo".
Casualmente, dos físicos, Marc Kamionkowski, actualmente en la Universidad Johns Hopkins, y Michael Kesden, de la Universidad de Texas en Dallas, ya han investigado una prueba de este tipo. En un artículo publicado en 2006, imaginaron una secuencia de eventos en la que dos galaxias se acercan y la gravedad de una atrae a la otra. Si la materia oscura ejerce una atracción gravitatoria más fuerte sobre otra materia oscura que sobre la materia ordinaria, se formaría una especie de "cola de marea" especial, una corriente extendida de estrellas, gas y polvo, detrás de una de las galaxias.
Kesden y Kamionkowski buscaron este efecto y no lo encontraron, lo que les permitió establecer un límite superior para la posible intensidad de la fuerza de atracción adicional. Este límite superior era aproximadamente 20 veces mayor que el valor propuesto por el equipo de Vafa, por lo que el valor predicho se encontraba dentro del rango de observación. "Es interesante que ahora estemos encontrando conexiones entre ese trabajo bastante abstracto y el trabajo observacional y experimental", aseveró Kamionkowski.
El hecho de que una predicción basada en cálculos de la teoría de cuerdas coincidiera aproximadamente con la evidencia astrofísica no confirma la validez de estos modelos de cuerdas. Sin embargo, cualquier correspondencia entre la teoría de cuerdas y el experimento resulta gratificante para Vafa, quien ha dedicado las últimas cuatro décadas a intentar llevar la teoría del ámbito puramente conceptual al punto de generar predicciones comprobables.
Obied, uno de los exalumnos de doctorado de Vafa, comparte el mismo objetivo. Comprender la energía oscura, la materia oscura y la posible relación entre ellas es un problema complejo: "Y creo que es muy beneficioso abordarlo desde diferentes perspectivas, ya sea desde la cosmología observacional, la física de partículas o la teoría de cuerdas".
Obied concluye: "Así es como se debe hacer ciencia. Es decir, el trabajo de los físicos teóricos es explorar todo lo posible, poner todas las posibilidades sobre la mesa. Y, finalmente, los datos nos ayudarán a decidir".
Artículo original reproducido con permiso de Quanta Magazine, una publicación editorialmente independiente de la Fundación Simons, cuya misión es mejorar la comprensión pública de la ciencia mediante la cobertura de los avances y tendencias de la investigación en matemáticas y ciencias físicas y biológicas. Adaptado por Alondra Flores.