Una nueva investigación sobre la materia oscura 'difusa' altera el pensamiento convencional

Simulaciones de cómo se forman las galaxias en escenarios fríos, cálidos y difusos (de izquierda a derecha) de materia oscura. Crédito: Universidades de Princeton, Sussex, Cambridge.

Una nueva investigación realizada en la Universidad de Sussex ha simulado la materia oscura de una manera nueva por primera vez, alterando el pensamiento convencional sobre la composición del universo. La investigación, publicada en Physical Review Letters, se realizó junto con las universidades de Princeton, Harvard, Cambridge y MIT, entre otras. 

Los científicos han sospechado durante mucho tiempo que una gran proporción del universo está compuesta de partículas invisibles, o materia oscura, y que deben ser muy frías y pesadas. Pero la búsqueda de pruebas ha sido difícil de alcanzar, lo que llevó a los investigadores a considerar teorías alternativas. 

Las nuevas simulaciones muestran cómo las estrellas y galaxias podrían haberse formado y agrupado en el origen del universo si la materia oscura fuese muy ligera en masa, en lugar de muy pesada como la mayoría de los científicos han asumido. 

Un físico de la Universidad de Sussex trabajó con un equipo internacional para calcular cómo se comportaría la materia oscura y qué aspecto tendrían las primeras galaxias, si fuera 'difusa' y extremadamente ligera en masa. 

La teoría de la materia oscura 'difusa' imagina que la materia oscura está compuesta de pequeñas partículas que son tan ligeras que se comportan como la materia cuántica y se mueven en ondas. Su naturaleza cuántica se ve en escalas galácticas. Convencionalmente, se ha imaginado que la materia oscura está fría (es decir, donde las partículas no se mueven). Pero las dudas se han establecido en torno a esta teoría, ya que los aceleradores de partículas hasta ahora no han podido crear dicha materia oscura. La nueva teoría de 'materia oscura difusa' ha ganado popularidad, ya que tiene sentido según la física de partículas, pero nunca antes se había simulado completamente. 

Las simulaciones muestran las formas que las galaxias habrían tomado al comienzo del universo si la materia oscura fuera difusa y extremadamente clara. El equipo los contrasta con las galaxias familiares formadas en el escenario de la materia oscura fría. A medida que el universo ha envejecido, las galaxias han cambiado de forma. Pero cuando se lance la nueva generación de telescopios, incluido el telescopio espacial James Webb, en el que trabajan los físicos de Sussex, los científicos esperan poder mirar más atrás en la historia del universo para ver cómo era. 

La Dra. Anastasia Fialkov, quien realizó la investigación mientras estaba en la Universidad de Sussex, dijo: 

"La naturaleza de la materia oscura sigue siendo un misterio. La teoría de la materia oscura difusa tiene sentido en términos de física fundamental, por ejemplo, la teoría de cuerdas, por lo que es un candidato interesante para la materia oscura. Y si la teoría de la materia oscura difusa es correcta En la nueva generación de telescopios potentes, habremos precisado la naturaleza de la materia oscura: uno de los mayores misterios de todos. 

"En todo el mundo, los investigadores están buscando materia oscura, y los físicos de partículas están construyendo modelos para la materia oscura, y muchos de ellos han asumido que la materia oscura es 'fría'. La teoría de la materia oscura difusa, donde la materia oscura se comporta como una onda en Las escalas galácticas, ahora presentan un escenario alternativo creíble: que la materia oscura es pequeña, se mueve en ondas que se comportan como materia cuántica. Nuestras simulaciones son las primeras en abordar la formación de galaxias en el contexto de la materia oscura difusa". 

La profesora Kathy Romer, astrofísica de la Facultad de Ciencias Matemáticas y Físicas de la Universidad de Sussex, dijo: 

"La búsqueda de materia oscura es un poco como '¿Dónde está Wally?' '. El trabajo dedicado en las últimas décadas por parte de astrónomos y físicos de partículas nos ha dado algunas de las pistas que debemos buscar, equivalentes al suéter y sombrero a rayas de Wally, pero todavía no lo hemos encontrado. Quizás no deberíamos haber estado buscando a Wally (materia oscura fría) todo este tiempo, sino que deberíamos haber estado buscando a Wenda (materia oscura difusa). Esta nueva investigación es tan importante porque proporciona otra pista que debemos buscar, equivalente a los calcetines a rayas de Wenda". 

Esta imagen muestra cómo aparece la distribución del gas de materia oscura y el inicio (de izquierda a derecha) en el escenario de materia oscura difusa. Crédito: Universidades de Princeton, Cambridge y Sussex.

Philip Mocz, miembro de Einstein en Princeton, dice: 

"La materia oscura es una especie de cuna en la que nacen las galaxias, y las formas de la cuna también dan forma a las galaxias. Diferentes modelos de materia oscura predicen diferentes formas de cuna, particularmente en el Universo joven. Es un gran lugar para buscar y obtener nuevas pistas sobre qué es la materia oscura ". 

¿Qué muestra la investigación? 

Los investigadores encontraron que, si la materia oscura es fría, entonces las galaxias en el universo primitivo se habrían formado en "halos" casi esféricos. Pero si la materia oscura es difusa, el universo primitivo se habría visto diferente, con las galaxias formando primero colas extendidas, o 'filamentos'. Y el tamaño, la forma y la fragmentación de estos filamentos es diferente en cada escenario. 

La hipótesis de la materia oscura fría funciona bien para describir la estructura a gran escala del universo observable. Y así, la mayoría de los modelos de formación de galaxias se basan en el supuesto de que la materia oscura es fría. Pero hay discrepancias entre las observaciones y las predicciones de la materia oscura fría. Si nos fijamos en galaxias muy pequeñas, la distribución de la materia oscura no se ajusta a las predicciones de los modelos teóricos. Además, como los aceleradores de partículas aún no han descubierto la materia oscura, el modelo de materia oscura fría se vuelve cada vez menos atractivo. 

El equipo ha desarrollado primeras predicciones realistas de cómo podrían haber sido las primeras galaxias en un universo dominado por materia oscura difusa. El objetivo es proporcionar un mapa para los próximos telescopios, como el telescopio espacial James Webb, que pueda mirar lo suficientemente atrás en el tiempo para detectar las primeras galaxias. Si ven galaxias con las colas, o 'filamentos' como se simula en esta investigación, puede comenzar a confirmar que la materia oscura es de naturaleza difusa. 

El Dr. Fialkov ahora se mudó a la Universidad de Cambridge. 

Fuente: Universidad de Sussex,