Galaxias distantes y la verdadera naturaleza de la materia oscura


En el centro de las galaxias espirales, las que están cerca de nosotros pero también las que están a miles de millones de años luz de distancia, hay una vasta región esférica formada por partículas de materia oscura. Esta región tiene dos características definitorias: una densidad que es constante hasta cierto radio que se expande asombrosamente con el tiempo, mientras que la densidad disminuye. Esto sugiere la existencia de una interacción directa entre las partículas elementales que forman el halo de materia oscura y las que forman la materia ordinaria: protones, electrones, neutrones y fotones.

En el centro de las galaxias espirales, las que están cerca de nosotros pero también las que están a miles de millones de años luz de distancia, hay una vasta región esférica formada por partículas de materia oscura. Esta región tiene dos características definitorias: una densidad que es constante hasta cierto radio que se expande asombrosamente con el tiempo, mientras que la densidad disminuye. Crédito: Gauri Sharma

Anticipamos que esta hipótesis está en conflicto directo con la teoría predominante actual utilizada para describir el universo, conocida como Lambda-Cold Dark Matter, que postula que las partículas de materia oscura fría son inertes y no interactúan con ninguna otra partícula, excepto gravitacionalmente.

Estos importantes hallazgos se han informado en un nuevo estudio, publicado recientemente en la revista Astronomy and Astrophysics, que estudió una gran cantidad de galaxias distantes, a unos siete mil millones de años luz de distancia. El estudio, realizado por Gauri Sharma y Paolo Salucci de SISSA, junto con Glen Van de Ven de la Universidad de Viena, dio una nueva mirada a uno de los mayores misterios de la física moderna. Según los autores, esta nueva investigación representa un paso adelante en nuestra comprensión de la materia oscura, el elemento escurridizo de nuestro universo que ha sido teorizado en base a sus efectos demostrables en los cuerpos celestes, pero que aún no se ha probado directamente. Esto es a pesar de la cantidad de observaciones y experimentos astrofísicos específicos establecidos para este propósito en laboratorios subterráneos dedicados.

Estudiando la materia oscura en galaxias distantes

La materia oscura constituye aproximadamente el 84% de la masa del cosmos: “Su presencia dominante en todas las galaxias surge del hecho de que las estrellas y el gas de hidrógeno se mueven como si estuvieran gobernados por un elemento invisible”, explica Gauri Sharma. Hasta ahora, los intentos de estudiarlo se han centrado en galaxias cercanas a la nuestra: «En este estudio, sin embargo», explica, «por primera vez buscábamos observar y determinar la distribución de la masa de las galaxias espirales con la misma morfología de las cercanas, pero mucho más lejos y, por lo tanto, antes en unos siete mil millones de años.La idea es esencialmente que estos progenitores de galaxias espirales como la nuestra podrían ofrecer pistas fundamentales sobre la naturaleza de la partícula en el corazón del misterio de materia oscura.» Paolo Salucci agrega que «al estudiar el movimiento de las estrellas en aproximadamente 300 galaxias distantes, descubrimos que estos objetos también tenían un halo de materia oscura y que, al partir del centro de una galaxia, este halo tiene efectivamente una región en que su densidad es constante». Este rasgo ya se había observado en estudios que examinaron galaxias cercanas, algunas de las cuales también fueron obra de SISSA.

Un nuevo estudio de SISSA sugiere que en el centro de las galaxias espirales existe una vasta región esférica formada por partículas de materia oscura donde se produce una interacción directa entre las partículas elementales que componen el halo de materia oscura y las que componen la materia ordinaria. Crédito: Buddy_Nath en Pixabay

La nueva investigación ha revelado, sin embargo, que esta región central tenía algo que era completamente inesperado en el contexto del llamado «modelo estándar de cosmología». Sharma dice que «como resultado del contraste entre las propiedades de las galaxias espirales cercanas y distantes, es decir, entre las galaxias actuales y sus antepasadas de siete mil millones de años antes, pudimos ver que no solo existe una región inexplicable con una densidad constante de la materia oscura, sino también que sus dimensiones aumentan con el tiempo como si estuvieran sujetas a un proceso de expansión y dilución constante». Esta evidencia es muy difícil de explicar si las partículas de materia oscura no interactuaron, como postula el modelo Lambda-CDM. «En la investigación que publicamos recientemente», dice Sharma, «ofrecemos evidencia de la interacción directa entre la materia oscura y la materia ordinaria, que con el tiempo acumula lentamente una región de densidad constante desde el centro de la galaxia hacia el exterior». Pero hay más.

Un proceso lento pero inexorable

«Sorprendentemente, la región anterior con densidad constante se expande con el tiempo. Es un proceso muy lento, pero inexorable», afirma Salucci. ¿Una posible explicación? “La más sencilla es que, en un principio, cuando se formó la galaxia, la distribución de la materia oscura en el halo esférico era la predicha por la teoría Lambda-CDM, con un pico de densidad en el centro. Más tarde, el disco galáctico que caracteriza a las galaxias espirales, rodeadas por un halo de partículas de materia oscura extremadamente densas. Con el paso del tiempo, el efecto de la interacción que hemos postulado significó que las partículas fueran capturadas por las estrellas o expulsadas hacia los confines de la galaxia». Este proceso crearía una región esférica de densidad consistente dentro del halo de materia oscura, con dimensiones que aumentan proporcionalmente con el tiempo y finalmente alcanzan las del disco estelar galáctico, como se describe en el artículo de Astronomy and Astrophysics. «Los resultados del estudio plantean preguntas importantes para escenarios alternativos que describen partículas de materia oscura (aparte de Lambda-CDM), como la materia oscura cálida, la materia oscura autointeractiva y la materia oscura ultraligera», dice Sharma.

«Estos modelos también deben dar cuenta de la clara evolución temporal registrada en la región anterior. Las propiedades de las galaxias muy distantes en el espacio y el tiempo ofrecen a los cosmólogos una puerta de entrada genuina para comprender los misterios de la materia oscura». Es interesante notar, «que, de acuerdo con la filosofía de Nietzsche, la verdad de este misterio puede ser revelada no detallando el escenario más hermoso, el que es matemáticamente más elegante, simple y anticipado como una expansión de teorías comprobadas durante mucho tiempo». —sino más bien a través de un escenario «feo» determinado por una fenomenología observacional poco elegante y complicada, desde una teoría física descuidada que no tiene ninguna relación con lo que nos es familiar», dice Salucci.

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