Los modelos de materia oscura obtienen la mayor parte del Universo correctamente pero fallan en los detalles

Imagen de un gran grupo de galaxias, con vistas ampliadas de algunas de ellas.
Agrandar / El cúmulo masivo de galaxias MACSJ 1206. Incrustadas dentro del cúmulo están las imágenes distorsionadas de galaxias distantes de fondo, vistas como arcos y rasgos manchados.

Si bien la idea de la materia oscura se propuso originalmente para explicar la estructura de las galaxias, uno de sus grandes éxitos fue explicar la naturaleza del propio Universo. Las características del fondo cósmico de microondas se pueden explicar por la presencia de materia oscura. Y los modelos del Universo temprano producen galaxias y cúmulos de galaxias basándose en estructuras formadas por materia oscura. El hecho de que estos modelos obtengan el panorama general tan bien ha sido un fuerte argumento a su favor.

Pero un nuevo estudio sugiere que los mismos modelos se equivocan en los detalles, en un orden de magnitud completo. Las personas detrás del estudio sugieren que o hay algo mal con los modelos o que nuestra comprensión de la materia oscura puede necesitar un ajuste.

Bajo una lente

El nuevo estudio, realizado por un equipo internacional de investigadores, aprovechó un fenómeno llamado lente gravitacional. La gravedad deforma el espacio en sí, y puede hacerlo de una manera que dobla la luz, análoga a una lente. Si un objeto masivo, digamos, una galaxia, se encuentra entre nosotros y un objeto distante, puede crear una lente gravitacional que magnifique o distorsione el objeto distante. Dependiendo de los detalles precisos de cómo se organizan los objetos, los resultados pueden ser desde un simple aumento hasta anillos circulares o hacer que el objeto aparezca varias veces.

Debido a que los efectos de la materia oscura son detectables a través de la gravedad, podemos «ver» la presencia de materia oscura a través de sus efectos de lente gravitacional. En algunos casos, incluso hemos detectado lentes donde hay poca materia. Esa es una de las muchas pruebas a favor de la materia oscura.

Los investigadores utilizaron lentes gravitacionales para configurar una prueba que, al menos conceptualmente, era muy simple. Hemos construido modelos del Universo temprano que indican cómo la materia oscura ayudó a estructurar las primeras galaxias y las atrajo a cúmulos de galaxias. Estos modelos, cuando se avanzan, proporcionan una descripción de cómo debería verse esa distribución de materia oscura en diferentes puntos de la historia del Universo hasta el presente. Por lo tanto, los investigadores decidieron usar lentes gravitacionales para determinar si la distribución de materia oscura que se ve en los modelos coincidía con el lugar donde la vemos a través de lentes gravitacionales.

Según estos modelos, el Universo se construyó jerárquicamente. A través de interacciones gravitacionales consigo misma, la materia oscura formó filamentos que se cruzaban en una compleja red tridimensional. La atracción gravitacional adicional en los puntos donde los filamentos se cruzan atraería materia regular, lo que conduciría a las primeras galaxias. Con el tiempo, la continua atracción de la gravedad juntó a las galaxias, formando grandes cúmulos. Al examinar el resultado de estos modelos, podemos echar un vistazo a la distribución esperada de la materia oscura alrededor de los cúmulos. Y, al acercarnos, podemos ver cómo debería distribuirse la materia oscura en el área de las galaxias individuales.

Esa distribución de materia oscura puede verse como una predicción de los modelos.

Mientras tanto, en el Universo real …

Para probar esas predicciones, los investigadores utilizaron imágenes del telescopio espacial Hubble para mapear todos los objetos dentro y alrededor de una gran colección de cúmulos de galaxias. Las imágenes de seguimiento con el Very Large Telescope ayudaron a identificar la distancia de esos objetos en función de cuánto se desplazó su luz hacia el extremo rojo del espectro por la expansión del Universo: cuanto mayor es el desplazamiento al rojo, más distante el objeto. Esto permitió a los investigadores determinar qué objetos deben estar detrás del cúmulo de galaxias y, por lo tanto, candidatos potenciales para lentes gravitacionales.

Luego, un paquete de software utilizó los datos para crear una distribución masiva para cada cúmulo de galaxias. Esto incluyó los efectos generales de lente de todo el cúmulo, así como la lente secundaria impulsada por galaxias individuales dentro del cúmulo. Los investigadores encontraron un fuerte acuerdo entre la aparición de objetos con lentes y la ubicación de galaxias individuales, lo que les permitió validar sus cálculos de distribución de masa.

Luego, los investigadores utilizaron el simulador Universe para construir 25 clústeres simulados y realizaron un análisis similar con ellos para identificar los sitios de posibles lentes y las ubicaciones que podrían crear las mayores distorsiones.

Los dos no coincidían. Hubo significativamente más áreas que generaron una alta distorsión en la galaxia del Universo real que en el modelo. Este sería el caso si la distribución de la materia oscura fuera un poco más abultada de lo que predecirían los modelos: los halos de materia oscura alrededor de las galaxias fueran más compactos de lo que predecirían los modelos.

Esta no es la primera discrepancia del tipo que hemos visto. Los modelos de materia oscura también predicen que debería haber más galaxias satélites enanas alrededor de la Vía Láctea, y que deberían ser más difusas de lo que son, pero si ajustamos nuestros modelos para hacer estas galaxias más difusas, entonces seríamos menos es probable que vean estructuras más compactas en los cúmulos de galaxias. Entonces, en lugar de encontrar dos problemas que podrían resolverse haciendo un ajuste, los dos problemas parecen necesitar un ajuste en direcciones opuestas.

Dos posibilidades

Los investigadores sugieren que hay dos posibles explicaciones para esta discrepancia: o no apreciamos todas las propiedades de la materia oscura, o falta algo en nuestras simulaciones de la evolución del Universo. Sin embargo, dado que ambos obtienen la imagen general del Universo correctamente, el problema será sutil y muy difícil de identificar, si estos resultados obtienen una confirmación independiente. Una posibilidad es que los problemas parecen estar en el área de las galaxias, donde habría muchas interacciones materia-materia oscura. Si hay algo más complicado sucediendo allí, fácilmente podría deshacerse de los modelos.

Sin embargo, por ahora, es probable que haya equipos con datos adicionales en la mano que puedan realizar análisis similares, por lo que tendremos que esperar a que se hagan. Los cosmólogos teóricos, que son del tipo impaciente, indudablemente estarán probando variantes de materia oscura mucho antes de que se realicen nuevos análisis.

Ciencias, 2020. DOI: 10.1126 / science.aax5164 (Acerca de los DOI).

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