Universe (III): Matter, Dark Matter, and Dark Energy / Universo (III): Materia, materia oscura y energía oscura

Cosmic microwave background

In 2018, the Planck Observatory published its final map of the early universe, confirming its age, flat shape, and composition with 26.8% dark matter and 68.3% dark energy. According to NASA, only 4.9% is known ordinary matter, and the remaining 0.1% is unknown (Castelvecchi, 2018, Aghanim et al., 2020). Dark matter is different from the matter we see, as it does not emit electromagnetic radiation and, therefore, is not visible. However, we can detect dark matter because it generates gravity. We know that the universe expands and, if dark matter did not exist, the universe would have expanded much more because of the lack of sufficient gravity, and there would have been no galaxies or solar systems. On the other hand, dark energy (originally the Lambda constant, also called Einstein's cosmological constant) is a repelling force that exists throughout the universe, opposes gravity, and causes the expansion rate of the universe to accelerate and to be higher than expected in its absence (de Grasse Tyson, 2017). Dark energy may not be so constant after all, since reports from March 2025 suggest, pending confirmation with more data, that the cosmic expansion is accelerating less now than it was in the past (Castelvecchi, 2025; Wood, 2025). The amount of dark energy per cubic meter of space would now be around 10% lower than it was at the time of the appearance of our planet, 4.5 billion years ago.

The known matter in the universe is composed of 75% hydrogen and 23% helium in mass. The third most abundant atomic element is oxygen (O, with the atomic number, a.n., 8) which accounts for half of the remaining mass. Oxygen is chemically highly active and can react with hydrogen—to produce water, a critical molecule for life—and with carbon (C, a.n. 6), nitrogen (N, a.n. 7), silicon (Si, a.n. 14), sulfur (S, a.n. 16), iron, and oxygen itself to form the molecules of oxygen (O₂) and ozone (O₃). The reactivity of oxygen is such that if there is free oxygen on our planet, it is because oxygen appears by photosynthesis as quickly as it disappears when reacting with itself and other elements (Hazen, 2019).

Percentage distribution of the known mass of the universe.

Element	(%)
Hydrogen	75
​Helium	23
Oxygen	1
Carbon	0.25
Others	0.75

The chemical properties of atoms are mainly determined by the configuration of electrons that form a cloud around the nucleus, especially those electrons of the more external orbital (also known as the valence shell). The most reactive elements are those with more incomplete external electronic orbitals.

After oxygen, carbon accounts for 25% of the remaining mass, according to estimates in our galaxy, the Milky Way. The large amount of this atom is remarkable, and it is possibly the most reactive due to its having only four electrons out of the eight possible electrons in the valence shell. Carbon can give or take four electrons to share a complete electronic outer orbital with a multitude of other atomic elements, including carbon itself (Cockell, 2018). This element gave rise to the first crystal in the universe, the diamond, and to the probable second, graphite. Carbon is the only element on Earth (and possibly in the universe) that can serve as the skeleton of the diversity of complex molecules necessary for life due to its chemical flexibility and abundance. This versatility is the basis of the enormous variability of organic molecules, which were the first step in the origin of life as we know it.

Nitrogen is the next most common and reactive element. Hydrogen, carbon, nitrogen, and oxygen are in the first two rows of the periodic table of the elements, which are comprised of elements with lighter nuclei and simpler orbitals. Carbon, hydrogen, oxygen, and nitrogen account for 95% of matter present in living things (Hazen, 2019). In addition, in the first four rows of the table we find other elements that are well-known to organic chemists and biologists. These include lithium, fluorine, sodium, magnesium, phosphorus, sulfur, chlorine, potassium, calcium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, zinc, and bromine. Life appeared using the most common, reactive, and simplest elements in the universe.

Periodic Table of Elements

American mineralogist and astrobiologist Robert M. Hazen said that the universe is an engine for the generation of organic molecules and biomolecules (Hazen, 2019). Although space appears empty, infrared light sensors show that it contains giant clouds of gas. There are diffuse interstellar clouds with about 1 x 10⁸ molecules or ions per cubic meter, whereas the air we breathe has about 2.5 x 10²⁵. Space radiation, energy in the form of waves or particles traveling close to the speed of light, provides energy so the molecules and ions present in the clouds of gas can react with each other despite low temperatures. Spectroscopy detects carbon monoxide (CO), hydroxyl groups (OH), and combinations of carbon with hydrogen and nitrogen in these clouds.

There are also giant molecular clouds up to 150 light-years long. These clouds are incubators of stars, where nuclear fusion can occur. Their density is about one trillion (10¹²) ions or molecules per cubic meter. They contain formic acid (HCHO), and other more complex molecules composed of carbon, along with oxygen, hydrogen, nitrogen, and sulfur. Among the various substances detected in molecular clouds is ethanolamine (NH₂CH₂CH₂OH), a component of the phospholipids that are part of cell membranes (Rivilla, 2021).

Carbon stars are other formations in which astronomers have so far detected up to sixty types of linear and cyclic carbon molecules, as well as carbon monoxide and hydrogen cyanide (HCN). It seems evident that carbon, with its versatility in binding to other elements, generates molecules in an analogous way throughout the universe. Carbon chemistry, the precursor to the chemistry needed for life, is universal (Cockell, 2018).

Our universe will likely continue to expand until it disappears, according to Roger Penrose, a Nobel laureate in physics in 2020 for his work on black holes. At the Nobel Prize reception ceremony, Penrose advanced a very controversial theory, according to which our universe is not the only one, that others existed here before, and there will be others after (Martínez de la Fe, 2020).

There are about 2.0 trillion galaxies in the universe and about 1.1 billion stars just in our galaxy. One of them is the center of our solar system.

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Fondo cósmico de microondas

En 2018, el Observatorio Planck publicó su mapa final del universo primitivo, confirmando su edad, forma plana y composición con un 26,8% de materia oscura y un 68,3% de energía oscura. Según la NASA, solo el 4,9% es materia ordinaria conocida y el 0,1% restante es desconocido (Castelvecchi, 2018, Aghanim et al., 2020). La materia oscura es diferente de la materia que vemos, ya que no emite radiación electromagnética y, por lo tanto, no es visible. Sin embargo, podemos detectar la materia oscura porque genera gravedad. Sabemos que el universo se expande y, si no existiera la materia oscura, el universo se habría expandido mucho más por la falta de gravedad suficiente, y no habría habido galaxias ni sistemas solares. Por otro lado, la energía oscura (originalmente la constante Lambda, también llamada constante cosmológica de Einstein) es una fuerza repelente que existe en todo el universo, se opone a la gravedad y hace que la tasa de expansión del universo se acelere y sea mayor de lo esperado en su ausencia (de Grasse Tyson, 2017). La energía oscura puede no ser tan constante después de todo, ya que los informes de marzo de 2025 sugieren, a la espera de confirmación con más datos, que la expansión cósmica se está acelerando menos ahora que en el pasado (Castelvecchi, 2025; Wood, 2025). La cantidad de energía oscura por metro cúbico de espacio sería ahora alrededor de un 10% menor de lo que era en el momento de la aparición de nuestro planeta, hace 4.500 millones de años.

La materia conocida en el universo está compuesta por un 75% de hidrógeno y un 23% de helio en masa. El tercer elemento atómico más abundante es el oxígeno (O, con el número atómico, n.a., 8) que representa la mitad de la masa restante. El oxígeno es químicamente muy activo y puede reaccionar con el hidrógeno, para producir agua, una molécula crítica para la vida, y con el carbono (C, n.a. 6), el nitrógeno (N, n.a. 7), el silicio (Si, n.a. 14), el azufre (S, n.a. 16), el hierro y el oxígeno mismo para formar las moléculas de oxígeno (O2) y ozono (O3). La reactividad del oxígeno es tal que, si hay oxígeno libre en nuestro planeta, es porque el oxígeno aparece por la fotosíntesis tan rápido como desaparece al reaccionar consigo mismo y con otros elementos (Hazen, 2019).

Distribución porcentual de la masa conocida del universo

Elemento	%
Hidrógeno	75
Helio	23
Oxígeno	1
Carbono	0.25
Otros	0.75

Las propiedades químicas de los átomos están determinadas principalmente por la configuración de los electrones que forman una nube alrededor del núcleo, especialmente aquellos electrones del orbital más externo (también conocido como capa de valencia). Los elementos más reactivos son aquellos con orbitales electrónicos externos más incompletos.

 Después del oxígeno, el carbono representa el 25% de la masa restante, según estimaciones en nuestra galaxia, la Vía Láctea. La gran cantidad de este átomo es notable, y es posiblemente el más reactivo debido a que tiene solo cuatro electrones de los ocho electrones posibles en la capa de valencia. El carbono puede dar o tomar cuatro electrones para compartir un orbital externo electrónico completo con una multitud de otros elementos atómicos, incluido el propio carbono (Cockell, 2018). Este elemento dio lugar al primer cristal del universo, el diamante, y al probable segundo, el grafito. El carbono es el único elemento en la Tierra (y posiblemente en el universo) que puede servir como esqueleto de la diversidad de moléculas complejas necesarias para la vida debido a su flexibilidad química y abundancia. Esta versatilidad es la base de la enorme variabilidad de las moléculas orgánicas, que fueron el primer paso en el origen de la vida tal y como la conocemos.

El nitrógeno es el siguiente elemento más común y reactivo. El hidrógeno, el carbono, el nitrógeno y el oxígeno se encuentran en las dos primeras filas de la tabla periódica de los elementos, que se componen de elementos con núcleos más ligeros y orbitales más simples. El carbono, el hidrógeno, el oxígeno y el nitrógeno representan el 95% de la materia presente en los seres vivos (Hazen, 2019). Además, en las cuatro primeras filas de la tabla encontramos otros elementos que son bien conocidos por los químicos orgánicos y biólogos. Estos incluyen litio, flúor, sodio, magnesio, fósforo, azufre, cloro, potasio, calcio, manganeso, hierro, cobalto, níquel, cobre, zinc y bromo. La vida apareció utilizando los elementos más comunes, reactivos y simples del universo.

Tabla periódica de los elementos

El mineralogista y astrobiólogo estadounidense Robert M. Hazen dijo que el universo es un motor para la generación de moléculas orgánicas y biomoléculas (Hazen, 2019). Aunque el espacio parece vacío, los sensores de luz infrarroja muestran que contiene nubes gigantes de gas. Hay nubes interestelares difusas con aproximadamente 1 x 10⁸ moléculas o iones por metro cúbico, mientras que el aire que respiramos tiene aproximadamente 2,5 x 10²⁵. La radiación espacial, energía en forma de ondas o partículas que viajan cerca de la velocidad de la luz, proporciona energía para que las moléculas e iones presentes en las nubes de gas puedan reaccionar entre sí a pesar de las bajas temperaturas. La espectroscopia detecta monóxido de carbono (CO), grupos hidroxilo (OH) y combinaciones de carbono con hidrógeno y nitrógeno en estas nubes.

También hay nubes moleculares gigantes de hasta 150 años luz de largo. Estas nubes son incubadoras de estrellas, donde puede ocurrir la fusión nuclear. Su densidad es de aproximadamente un billón (10¹²) de iones o moléculas por metro cúbico. Contienen ácido fórmico (HCHO) y otras moléculas más complejas compuestas de carbono, junto con oxígeno, hidrógeno, nitrógeno y azufre. Entre las diversas sustancias detectadas en las nubes moleculares se encuentra la etanolamina (NH2CH2CH2OH), un componente de los fosfolípidos que forman parte de las membranas celulares (Rivilla, 2021).

Las estrellas de carbono son otras formaciones en las que los astrónomos han detectado hasta ahora sesenta tipos de moléculas de carbono lineales y cíclicas, así como monóxido de carbono y cianuro de hidrógeno (HCN). Parece evidente que el carbono, con su versatilidad para unirse a otros elementos, genera moléculas de manera análoga en todo el universo. La química del carbono, precursora de la química necesaria para la vida, es universal (Cockell, 2018).

Es probable que nuestro universo continúe expandiéndose hasta que desaparezca, según Roger Penrose, premio Nobel de física en 2020 por su trabajo sobre los agujeros negros. En la ceremonia de recepción del Premio Nobel, Penrose avanzó una teoría muy controvertida, según la cual nuestro universo no es el único, que otros existieron aquí antes, y habrá otros después (Martínez de la Fe, 2020).

Hay alrededor de dos billones de galaxias en el universo y alrededor de mil cien millones de estrellas solo en nuestra galaxia. Uno de ellos es el centro de nuestro sistema solar.

Images / Imágenes

Cosmic microwave background (CMB) / Fondo cósmico de microondas. The anisotropies of the Cosmic microwave background (CMB) as observed by Planck. The CMB is a snapshot of the oldest light in our Universe, imprinted on the sky when the Universe was just 380 000 years old. It shows tiny temperature fluctuations that correspond to regions of slightly different densities, representing the seeds of all future structure: the stars and galaxies of today. Author / Autor: ESA and the Planck Collaboration. ©ESA. ESA - Planck reveals an almost perfect Universe.

Periodic Table of Elements / Tabla periódica de los elementos. Author / Autor: SCB2024. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Simple_Periodic_Table_of_Elements.jpg. CC0, via Wikimedia Commons.

References / Referencias

Aghanim, N. et al (2020). Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters. Astronomy & Astrophysics. Volume 641:67. https://doi.org/10.1051/0004-6361/201833910.

Castelvecchi, Davide (2018). Big Bang telescope finale marks end of an era in cosmology. Nature 559, 455-456. DOI: https://doi.org/10.1038/d41586-018-05788-5.

Castelvecchi, Davide (2025). Is dark energy getting weaker? Fresh data bolster shock finding. Nature doi: https://www.nature.com/articles/d41586-025-00837-2, 2025.

Cockell, Charles (2018). The Equations of Life. How Physics Shapes Evolution. Atlantic Books, London.

de Grasse Tyson, Neil (2017). Astrophysics for People in A Hurry: Essays on the Universe and Our Place Within It. W.W. Norton & Company.

Hazen, Robert M (2019). Symphony in C. Carbon and the Evolution of Almost Everything. W. W. Norton & Company, New York, 2019.

Hazen, Robert M (2019). Symphony in C. Carbon and the Evolution of Almost Everything. W. W. Norton & Company, New York, 2019.

Martínez de la Fe, Eduardo (2020). Penrose: hubo otros universos antes del big bang. Penrose: Hubo otros universos antes del Big Bang • Tendencias21 Accessed on October 9, 2020.

Rivilla, Víctor M. (2021) et al. Discovery in space of ethanolamine, the simplest phospholipid head group. PNAS 118 (22), 2021. e2101314118; https://doi.org/10.1073/pnas.2101314118.

Wood, C (2025). Is Dark Energy Getting Weaker? New Evidence Strengthens the Case. Is Dark Energy Getting Weaker? New Evidence Strengthens the Case. | Quanta Magazine. March 19, 2025. Accessed April 17, 2025.