La materia oscura distorsiona los cúmulos galácticos más de lo previsto, lo que cuestiona la teoría cosmológica

El principal modelo sobre la estructura del universo sostiene que los cúmulos de galaxias más grandes no deberían estar tan distorsionados como muestran las observaciones con telescopios.

Friday, September 11, 2020,
Por Michael Greshko
Cúmulo de galaxias MACS J1206

Esta imagen del Telescopio Espacial Hubble de la NASA/ESA muestra el cúmulo de galaxias MACS J1206. Los cúmulos de galaxias como estos tienen una masa enorme y su gravedad es lo bastante intensa para distorsionar la trayectoria de la luz de forma visible, como si fuera una lupa gigante.

Fotografía de NASA, ESA, M. Postman (STScI) y CLASH Team

Al igual que los humanos, las galaxias no soportan estar solas. Empujadas por la gravedad, las galaxias tienden a agruparse y algunas acaban formando el equivalente cósmico a las megaciudades: cúmulos de hasta mil galaxias cuyo peso colectivo es billones de veces superior al de nuestro Sol.

Con todo, a pesar de todas las estrellas que brillan en estos cúmulos, solo una fracción de la masa de la estructura es visible. Hasta donde saben los científicos, el peso real de un cúmulo se encuentra en un material que no podemos ver: una sustancia misteriosa llamada materia oscura. Al igual que el hormigón y el asfalto bajo una ciudad, un vasto halo esférico de materia oscura subyace tras el cúmulo de galaxias. Y del mismo modo que los edificios se elevan de las calles de la ciudad, cada galaxia está incrustada dentro de su propio «subhalo» de materia oscura.

Los astrónomos llevan décadas intentando comprender cómo actúa la materia oscura como «planificadora urbanística» del cosmos, moldeando la estructura del universo. Sin embargo, los últimos análisis sugieren que la materia oscura, sea lo que sea, no se comporta según lo esperado.

En un estudio publicado en la revista Science, un equipo de investigadores examina cómo 11 cúmulos gigantes de galaxias curvan la luz que pasa a través de ellos, según se observa desde la Tierra. El estudio desvela que estos cúmulos albergan un número de lentes gravitacionales de materia oscura diez veces mayor al que predicen los modelos de los superordenadores.

«Cuando encuentras una brecha [como esta], normalmente indica que hay que redefinir un elemento del modelo», explica Priyamvada Natarajan, coautora del estudio y astrofísica teórica de la Universidad de Yale. «Pero de vez en cuando —en raras ocasiones en la historia de la ciencia— esa brecha te muestra el camino hacia una nueva teoría».

Una lente cósmica

El estudio es el último que ha experimentado con el modelo principal sobre los ingredientes fundamentales del universo y su interacción con el paso del tiempo, conocido como modelo Lambda-CDM (Lambda-Cold Dark Matter).

Según este modelo, no más del cinco por ciento de la materia y la energía combinadas del universo son materia bariónica: la mezcla de partículas que compone planetas, estrellas, galaxias, organismos y todo lo que podemos ver. La mayor parte del universo, en torno a un 68 por ciento, es energía oscura —representada con la letra griega lambda (Λ)—, una fuerza repulsiva y enigmática que provoca la expansión acelerada del universo.

El 27 por ciento restante del universo está compuesto de una sustancia invisible denominada materia oscura. Según el modelo, la materia oscura tiene masa y puede crear campos gravitacionales, pero no reacciona consigo misma ni emite luz y solo interactúa con la materia normal a través de la gravedad.

Para poner a prueba el modelo Lambda-CDM, un grupo de investigadores dirigido por Massimo Meneghetti, astrónomo del Observatorio Astronómico de Bolonia, Italia, decidió estudiar algunos de los cúmulos de galaxias más grandes que conocemos. El equipo quería examinar cómo se distribuye la masa dentro de un cúmulo midiendo un fenómeno que aparece en telescopios que parece un efecto de cámara.

La materia distorsiona la geometría del espacio-tiempo que la rodea, como si fuera una bola de bolos colocada en una cama elástica, curvando y estirando el tejido. Los objetos masivos como las galaxias o los cúmulos de galaxias deforman el espacio-tiempo hasta tal punto que las distorsiones curvan la luz que las atraviesa. Los astrónomos pueden observar este efecto, que se llama lente gravitacional.

Cuando un objeto es particularmente masivo y denso, la lente gravitacional que crea puede incluso partir la luz. Desde nuestro punto de vista, esta anomalía se ve como si el objeto estuviera rodeado de varias imágenes de la misma fuente de luz de fondo.

La gravedad de la materia oscura contribuye a este efecto y los cúmulos de galaxias parecen estar repletos de este material. Según los mejores modelos que existen, los cúmulos de galaxias están incrustados en los vastos halos esféricos de materia oscura, pero además cada galaxia dentro de un cúmulo está envuelta en su propio «subhalo» de materia oscura.

Cuando el equipo de Meneghetti cartografió los 11 cúmulos de galaxias y contó las pequeñas lentes gravitacionales, descubrió una cantidad diez veces superior a la esperada. Esta observación sugiere que los subhalos de materia oscura son mucho más densos de lo que pronosticaban las simulaciones, un hallazgo que parece contradecir el modelo Lambda-CDM.

Modificar la teoría del universo

No es la primera discrepancia que surge entre las observaciones del universo y el modelo Lambda-CDM. Sin embargo, el nuevo hallazgo ha sido sorprendente porque el desajuste es único entre los otros descubiertos hasta la fecha en las comprobaciones de este modelo, según señala Mike Boylan-Kolchin, astrofísico de la Universidad de Texas en Austin que no participó en el estudio.

La estructura de las galaxias cercanas significa que, en estos lugares, la materia oscura es menos densa de lo que predice la teoría. Con todo, esta nueva anomalía sugiere lo contrario, ya que supondría que la materia oscura de los cúmulos de galaxias es aún más densa de lo que sugiere el modelo Lambda-CDM.

«Encontramos un problema que va en la dirección contraria», afirma Meneghetti.

¿Qué podría haber provocado el nuevo conflicto entre teoría y observación? Es posible que las simulaciones informáticas no capten a la perfección la formación de las galaxias o que simplemente carezcan de la resolución para generar modelos de estructuras tan inmensas, pero los autores del estudio sostienen que han tenido en cuenta estas posibles fuentes de error y, por ahora, parece que la discrepancia es demasiado grande para poder explicarla.

Parte del problema es que cualquier modificación teórica tiene que explicar igual de bien que el modelo Lambda-CDM las otras propiedades del universo. La teoría sostiene que la materia oscura es «fría», o que las partículas se desplazaban relativamente despacio en los primeros días del universo. Esta lentitud fue fundamental para preservar regiones donde la materia oscura era algo más densa que la media. Más adelante, estas regiones más densas colapsaron bajo su propia gravedad, sirviendo de una especie de andamiaje para que se acumulara la materia normal y formase estrellas, planetas y galaxias.

Aunque el modelo explica muy bien los sistemas cósmicos a gran escala, sus predicciones no encajan tan bien con las estructuras que miden menos de 3,3 millones de años luz de diámetro, que es la escala de los grupos de galaxias y las galaxias grandes. Los astrónomos suelen observar menos objetos pequeños —o regiones menos densas dentro de las galaxias— de lo que pronostica el modelo Lambda-CDM, aunque las nuevas observaciones hallaron regiones más densas de lo que prevé la teoría.

Los modelos futuros deberán explicar esta doble cara del comportamiento de la materia oscura a escalas pequeñas.

Mathilde Jauzac, física de la Universidad de Durham y experta en lentes gravitacionales (que tampoco participó en el estudio), añade que experimentar más con este problema será complicado. Los cúmulos de galaxias gigantes no son tan habituales. El nuevo estudio incluyó tantos cúmulos como pudo: once.

Como los cúmulos de galaxias gigantes son poco comunes, no aparecen con frecuencia en las simulaciones, añade Jauzac. Para ver más, habrá que simular volúmenes de espacio mucho mayores, para lo que se necesitarán cálculos más complejos.

Cuando los astrofísicos identifiquen suficientes contradicciones en el modelo Lambda-CDM, quizá puedan hallar una vía hacia una nueva teoría que explique toda la historia del universo de forma más precisa: cómo el Big Bang dio lugar a una serie de interacciones cósmicas que, paso a paso, estrella a estrella, crearon nuestro planeta Tierra y, en última instancia, a nosotros.

Este artículo se publicó originalmente en inglés en nationalgeographic.com.
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