La Materia Oscura es uno de los tenaces misterios que enfrentan los astrónomos y cosmólogos en la actualidad. Esta masa teórica fue propuesta en la década de 1960 como una forma de explicar las curvas de rotación de las galaxias, que indicaban que tenían mayor masa de la que implicaban sus poblaciones estelares. A pesar de décadas de investigación y observación, los científicos aún no han encontrado ninguna evidencia directa de esta masa misteriosa e invisible o de qué está compuesta. Hay muchas teorías, que van desde partículas masivas que interactúan débilmente (WIMP) hasta partículas de masa extremadamente baja (axiones).
Afortunadamente, vivimos en una era en la que las fronteras de la astronomía se amplían constantemente y se realizan nuevos descubrimientos todo el tiempo. En un estudio reciente, un equipo internacional de investigadores dirigido por el Instituto Leibniz de Astrofísica de Potsdam (AIP) ha arrojado luz sobre este debate de décadas analizando las velocidades estelares de 12 de las galaxias más pequeñas y débiles del Universo. El equipo descubrió que los campos gravitacionales internos de estas galaxias no podían explicarse únicamente mediante la materia visible, lo que refuerza aún más el argumento a favor de la Materia Oscura.
El equipo fue dirigido por investigadores del AIP e incluyó miembros del Instituto de Física y Astronomía de la Universidad de Potsdam, la Universidad de Surrey, la Universidad de Bath, la Escuela de Astronomía y Ciencias Espaciales de la Universidad de Nanjing, el Instituto de Astrofísica y Ciencias Espaciales de la Universidad de Oporto, el Observatorio de Leiden de la Universidad de Leiden y el Observatorio de Lund de la Universidad de Lund. El artículo que describe sus hallazgos apareció recientemente en la revista Astronomía y Astrofísica.
Durante décadas, los científicos han debatido la existencia de la Materia Oscura (DM). Por un lado, su existencia se infiere de las observaciones y de nuestra comprensión de la gravedad (como la describe La teoría de la relatividad general de Einstein). Por otro lado, falta evidencia directa, lo que ha llevado a teorías alternativas, como la Dinámica Newtoniana Modificada (MOND). Esta teoría surgió en la década de 1980 y postula que las leyes de la gravedad cambian con aceleraciones muy bajas (es decir, en escalas de distancia muy grandes).
*Una simulación de la formación de estructuras de materia oscura desde el Universo temprano hasta hoy. Crédito: Ralf Kaehler/Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC/AMNH*
Además, los astrónomos han sostenido durante mucho tiempo que existe una relación simple entre la cantidad de materia visible (bariónica) que contiene una galaxia y la fuerza gravitacional que ejerce, conocida como Relación de Aceleración Radial (RAR). Si bien esta teoría ciertamente se aplica a sistemas más grandes, el nuevo estudio sugiere que se descompone en las galaxias más pequeñas. Al examinar 12 galaxias enanas e inferir sus distribuciones de masa, descubrieron que las predicciones MOND no lograban reproducir el comportamiento observado, lo que demuestra que sus campos gravitacionales no podían explicarse únicamente por la materia visible.
Luego compararon sus resultados con modelos teóricos que suponen la presencia de halos de materia oscura alrededor de las galaxias utilizando el Instalación Nacional de Supercomputadoras DiRAC. Los resultados de estas simulaciones proporcionaron una coincidencia mucho mejor con el comportamiento observado de estas galaxias enanas. Según Mariana Júlio, estudiante de doctorado de la AIP y autora principal del estudio:
Las galaxias enanas más pequeñas han estado en conflicto durante mucho tiempo con las predicciones MOND, pero la discrepancia podría explicarse plausiblemente por incertidumbres en las mediciones o adaptando la teoría MOND. Por primera vez pudimos resolver la aceleración gravitacional de las estrellas en las galaxias más débiles en diferentes radios, revelando en detalle su dinámica interna. Tanto las observaciones como nuestras simulaciones EDGE muestran que su campo gravitacional no puede ser determinado únicamente por su materia visible, lo que contradice las predicciones de gravedad modificadas. Este hallazgo refuerza la necesidad de contar con materia oscura y nos acerca a la comprensión de su naturaleza.
El estudio desafía el paradigma RAR al proporcionar un análisis mejor y más profundo, lo que permite a los astrónomos inferir adecuadamente los perfiles de resolución radial de las galaxias enanas. Confirman además lo que los astrónomos sospechaban sobre las galaxias enanas y cómo no se ajustan a las expectativas de sus homólogas más masivas. Dijo el coautor profesor Justin Read de la Universidad de Surrey:
Nuevos datos y técnicas de modelado nos permiten mapear el campo gravitacional a escalas más pequeñas que nunca, y esto nos brinda nuevos conocimientos sobre la sustancia extraña, aparentemente invisible, que constituye la mayor parte de la masa del Universo. Nuestros resultados demuestran que no hay suficiente información basada únicamente en lo que podemos ver para determinar la intensidad del campo gravitacional en las galaxias más pequeñas. Este resultado se puede explicar si estas galaxias están rodeadas por un halo invisible de materia oscura, ya que la materia oscura codifica la «información que falta». Pero las teorías MOND –al menos las propuestas hasta ahora– requieren que el campo gravitacional esté determinado únicamente por lo que vemos. Eso simplemente no parece funcionar.
Si bien los hallazgos no abordan las cuestiones periféricas sobre el DM (por ejemplo, de qué está compuesto) ni confirman su existencia, sí limitan la búsqueda al ayudar a descartar explicaciones alternativas. Las observaciones futuras dirigidas a galaxias aún más débiles y distantes limitarán aún más la búsqueda, y los científicos lo harán con la confianza de que DM sigue siendo la explicación más probable de lo que vemos ahí fuera.
Lectura adicional: Instituto Leibniz de Astrofísica de Potsdam, arXiv