La materia oscura deforma los cúmulos de galaxias más de lo esperado, poniendo en duda la teoría cósmica

Como los seres humanos, las galaxias no soportan estar solas. Impulsadas por la gravedad, las galaxias tienden a agruparse y algunas incluso terminan siendo parte de las bulliciosas megaciudades del universo: cúmulos de hasta mil galaxias, que colectivamente superan a nuestro sol un millón de billones de veces.

Pero para todas las estrellas que brillan en estos cúmulos, solo una fracción de la masa de toda la estructura es visible. Por lo que los científicos pueden decir que el peso real de un cúmulo se encuentra dentro de un material que no se puede ver: una sustancia invisible y misteriosa llamada materia oscura. Como el cemento y el asfalto debajo de una ciudad, un vasto halo esférico de materia oscura subyace en todo el cúmulo de galaxias. Y así como los edificios se elevan desde las calles de la ciudad, cada galaxia individual está incrustada dentro de su propio subhalo de materia oscura.

Durante décadas, los astrónomos han intentado comprender cómo actúa la materia oscura como planificadora urbana del cosmos, dándole forma a la estructura de nuestro universo. Pero las últimas miradas sugieren que sea lo que sea la materia oscura, no se comporta como esperaban los investigadores.

En un estudio publicado en la revista Science, los investigadores examinan cómo 11 cúmulos gigantes de galaxias desvían la luz que pasa a través de ellos, como se observa desde la Tierra. El estudio determina que estos cúmulos albergan un número de lentes gravitacionales de materia oscura diez veces mayor al que predicen los modelos de los supercomputadoras.

“Cuando se encuentra [tal] brecha, la mayoría de las veces revela que hay un elemento del modelo que necesita ser refinado”, dice el coautor del estudio Priyamvada Natarajan, astrofísico teórico de la Universidad de Yale. "Pero de vez en cuando, raramente en la historia de la ciencia, la brecha en realidad te muestra el camino hacia una nueva teoría".

Una lente cósmica

El estudio es el último en hurgar y estimular el modelo líder de los ingredientes clave del universo y cómo interactúan con el tiempo, conocido como Lambda Cold Dark Matter (Lambda-CDM).

Según este modelo, no más del 5 por ciento de la materia y energía combinadas del universo es materia bariónica: la mezcla familiar de partículas que forman los planetas, las estrellas, las galaxias, los organismos y todo lo demás que podemos ver. La mayor parte del universo, aproximadamente el 68 por ciento, está compuesta de energía oscura, representada por la letra griega lambda (Λ), una enigmática fuerza repulsiva que impulsa la expansión acelerada del universo.

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

Para poner a Lambda-CDM a prueba, los investigadores dirigidos por Massimo Meneghetti, un astrónomo del Observatorio Astronómico de Bolonia en Italia, decidieron observar algunos de los cúmulos de galaxias más grandes conocidos. El equipo quería examinar cómo se distribuye la masa dentro de un cúmulo midiendo un fenómeno que aparece en los telescopios como un efecto de cámara alucinante.

Así como una bola de boliche colocada en un trampolín deformará y estirará la tela, la materia distorsiona la geometría del espacio-tiempo que la rodea. Los objetos masivos, como las galaxias o los cúmulos de galaxias, deforman tanto el espacio-tiempo que las distorsiones desvían la luz que pasa. Los astrónomos pueden ver este efecto, llamado lente gravitacional.

Cuando un objeto es especialmente masivo y denso, la lente gravitacional que crea puede incluso dividir la luz. Desde nuestro punto de vista, con esta anomalía parece que el objeto está rodeado por varias imágenes de la misma fuente de luz de fondo.

La gravedad de la materia oscura se suma a este efecto y los cúmulos de galaxias parecen estar repletos de material. Según nuestros mejores modelos, los cúmulos de galaxias no solo están incrustados en vastos halos esféricos de materia oscura, sino que las galaxias individuales dentro de un cúmulo también se encuentran dentro de sus propios "subhalos" de materia oscura.

Cuando el equipo de Meneghetti trazó un mapa de 11 cúmulos de galaxias y contó las lentes gravitacionales más pequeñas, encontraron más de 10 veces más de lo que esperaban. Esta observación sugiere que los subhalos de materia oscura son mucho más densos de lo que predijeron las simulaciones por computadora, un descubrimiento que parece contradecir a Lambda-CDM.

Modificando la teoría del universo

Esta discrepancia no es la primera que surge entre las observaciones del universo y Lambda-CDM. Sin embargo, el nuevo descubrimiento es especialmente sorprendente porque el desajuste es diferente a los otros encontrados hasta ahora en las pruebas de este modelo, dice el astrofísico Mike Boylan-Kolchin de la Universidad de Texas en Austin  que no participó en el estudio.

La estructura de las galaxias cercanas implica que la materia oscura es menos densa en estos lugares de lo que predice la teoría. Sin embargo, esta nueva anomalía va en sentido contrario, requiriendo que la materia oscura de los cúmulos de galaxias sea incluso más densa de lo que sugiere Lambda-CDM.

“Estamos descubriendo un problema que va exactamente en la dirección opuesta”, dice Meneghetti.

¿Qué podría estar provocando el nuevo conflicto entre la teoría y la observación? Es posible que los modelos informáticos no capturen perfectamente cómo se forman las galaxias o que simplemente carezcan de la resolución para modelar estructuras tan inmensas, pero los autores del estudio dicen que han tenido en cuenta estas posibles fuentes de error y, hasta ahora, parece como que la discrepancia es simplemente demasiado grande para que ellos la expliquen.

Parte del desafío es que cualquier ajuste teórico debe ser tan bueno como Lambda-CDM para explicar las otras propiedades del universo. La teoría sostiene que la materia oscura es "fría" o que las partículas se movían con bastante lentitud en los primeros días del universo. Esa lentitud fue esencial para preservar las regiones donde la materia oscura era un poco más densa que el promedio. Estas regiones demasiado densas colapsaron más tarde bajo su propia gravedad, actuando como una especie de andamio para que la materia normal se agrupe y forme estrellas, planetas y galaxias.

Si bien el modelo es excelente para explicar los sistemas cósmicos a gran escala, sus predicciones no coinciden tan bien con las estructuras que tienen menos de aproximadamente 3.3 millones de años luz de diámetro, la escala de grandes galaxias o grupos de galaxias. Los astrónomos tienden a ver menos objetos pequeños, o regiones menos densas dentro de las galaxias, de lo que predice Lambda-CDM, incluso cuando las nuevas observaciones descubrieron regiones más densas de lo que anticipa la teoría.

Los modelos futuros deben explicar este comportamiento de dos caras de la materia oscura a pequeña escala. “Es como tratar de atravesar varias agujas diferentes al mismo tiempo”, dice James Bullock, astrofísico de la Universidad de California-Irvine que no participó en el estudio.

La física Mathilde Jauzac de la Universidad de Durham, experta en lentes gravitacionales (que tampoco participó en el estudio), agrega que probar más el problema será complicado. Por un lado, los cúmulos de galaxias gigantes no son tan comunes. El nuevo estudio incluyó tantos grupos como pudo: 11.

Debido a que los cúmulos de galaxias gigantes son raros, no surgen con frecuencia en las simulaciones, agrega Jauzac. Entonces, para ver más de ellos, los modeladores tendrán que simular volúmenes de espacio mucho más grandes, lo que requerirá un gran procesamiento de números.

Una vez que los astrofísicos identifiquen suficientes contradicciones en Lambda-CDM, podrán encontrar un camino hacia una nueva teoría que explique la historia completa del universo con aún más precisión: cómo el Big Bang provocó una serie de interacciones cósmicas que llevaron, paso a paso paso, estrella a estrella, a nuestro planeta de origen, la Tierra y, en última instancia, a nosotros.