Los Pilares de la Ciencia: La materia oscura, acorralada

Hablar de materia oscura materia siempre resulta curioso y atractivo porque es un interrogante en nuestro conocimiento del universo. De hecho, se trata de uno de los mayores interrogantes ya que existe más materia oscura que materia ordinaria. Lo que ocurre es que es extremadamente difícil de alcanzar ya que no refleja la luz, tampoco la absorbe ni la emite. A todos los efectos es invisible para nuestros instrumentos. Sabemos que existe de un modo indirecto a través de sus efectos gravitacionales sobre el universo visible.

Para saber más sobre este misterioso tipo de materia, los investigadores la estudian de un modo similar a como lo harían si se tratara de materia ordinaria en el sentido de ver cómo se comporta frente a obstáculos del mismo modo que estudian las partículas subatómicas en los grandes aceleradores.

Imagen 1: Collage del telescopio espacial Hubble (NASA/ESA) de seis cúmulos de galaxias diferentes observados para analizar sus colisiones con el fin de apreciar el comportamiento de la materia oscura. El equipo fue capaz de mapear la distribución posterior a la colisión de estrellas y también de la materia oscura (en azul). Los cúmulos mostrados, de izquierda a derecha y de arriba a abajo son: MACS J0416.1–2403, MACS J0152.5-2852, MACS J0717.5+3745, Abell 370, Abell 2744 and ZwCl 1358+62. Créditos: NASA, ESA, D. Harvey, R. Massey, The Hubble SM4 ERO Team, ST-ECF, ESO, D. Coe, J. Merten, HST Frontier Fields, Harald Ebeling, Jean-Paul Kneib y Johan Richard.

Para tener un amplio abanico de muestras experimentales, los investigadores buscan estas colisiones en grandes cúmulos de galaxias, por supuesto a una escala mucho mayor de las que suceden en los aceleradores. En estas grandes colisiones la materia oscura se ve involucrada y pueden apreciarse sus efectos.

Los ingredientes

Las galaxias están formadas por tres ingredientes principales: nubes de gas y polvo, estrellas, y materia oscura. Durante las colisiones, las nubes de gas y polvo se difunden a lo largo de las galaxias involucradas en el choque ralentizándolas o incluso deteniéndolas. Las estrellas sin embargo están mucho menos afectadas por estas nubes, apenas sufriendo cambios en su velocidad.

"Sabemos cómo el gas y las estrellas reaccionan a estos choques cósmicos. La comparación de cómo la materia oscura se comporta nos puede ayudar a comprender lo que realmente es", explica David Harvey, de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (Suiza), autor principal de un nuevo estudio que analiza estos choques.

Imagen 2: Collage del telescopio espacial Hubble (NASA/ESA) y del obsrevatorio de rayos X Chandra de seis cúmulos de galaxias diferentes observados para analizar sus colisiones con el fin de apreciar el comportamiento de la materia oscura. El equipo fue capaz de mapear la distribución posterior a la colisión de estrellas y también de la materia oscura (en azul) y la emision en rayos X (en rosa). Los cúmulos mostrados, de izquierda a derecha y de arriba a abajo son: MACS J0416.1-2403, MACS J0152.5-2852, MACS J0717.5 + 3745, Abell 370, Abell 2744, y ZwCl 1358 + 62. Créditos: NASA/ESA/STScI/CXC, D. Harvey, R. Massey, T. Kitching, A. Taylor y E. Tittley.

Harvey y su equipo utilizaron datos del telescopio espacial Hubble (NASA/ESA) y del observatorio de rayos X Chandra (NASA) para estudiar 72 grandes colisiones de cúmulos galácticos. Los choques, ocurridos en diferentes momentos, han sido vistos desde diferentes ángulos.

Para saber dónde se encuentra la materia oscura en el cúmulo, los investigadores estudiaron la luz de galaxias situadas detrás del cúmulo cuya luz se ha visto magnificada y distorsionada mediante la lente gravitacional formada por los componentes de la colisión. Debido a que tienen una buena idea de la masa visible del cúmulo, la cantidad que la luz se distorsiona les dice cuánta materia oscura hay en una región determinada.

El resultado

El equipo encontró que, al igual que las estrellas, la materia oscura continuó su trayectoria sin apenas ralentizarse por efectos de las nubes de gas y polvo. Y aquí viene un dato importante: La razón por la que la materia oscura no se ralentiza es porque no sólo no interactúa con partículas visibles, sino que tampoco lo hace con otra materia oscura. Y esta pregunta es cosecha propia: ¿Quiere esto decir que existen varios tipos de materia oscura?

"Un estudio previo había observado un comportamiento similar en el cúmulo de la Bala", comenta Richard Massey, miembro del equipo en la Universidad de Durham (Reino Unido). "Es difícil interpretar lo que estás viendo cuando sólo tienes un ejemplo. Cada colisión necesita cientos de millones de años, por lo que en una vida humana sólo se llega a ver una imagen fija desde un solo ángulo. Ahora que tenemos muchas más colisiones podemos empezar a reconstruir la película completa y entender mejor lo que está pasando", añade.

Acorralada

Al observar que la materia oscura interactúa consigo misma todavía menos lo que se pensaba, el equipo ha "acorralado" con éxito las propiedades de la materia oscura. Los teóricos de la física de partículas seguirán buscando, pero ya tienen un menor número de incógnitas para trabajar en sus modelos. Es aquí donde las teorías de la supersimetría del modelo estándar y la materia oscura van de la mano.

Imagen 3: Configuraciones observadas en 30 sistemas estudiados. Las curvas de nivel muestran la distribución de las galaxias (verde), las nubes de gas (rojo) y la masa total, dominada por la materia oscura (azul). Créditos: Science/D. Harvey et al.

La materia oscura podría, potencialmente, tener propiedades que darían pie a estudiar nuevos tipos de interacción como la que evita que la materia oscura se frene en las colisiones. Otras posibles interacciones podrían hacer que las partículas de materia oscura rebotasen entre ellas como bolas de billar provocando que salgan fuera de las colisiones y, de esta forma, no verse afectadas. Son aspectos que se estudiarán en próximas investigaciones.

"El juego no ha terminado, pero estamos cada vez más cerca de obtener una respuesta", argumenta Harvey . "Estos grandes colisionadores de partículas nos están dejando entrever el oscuro mundo de nuestro alrededor", concluye. Así que, con todo esto, parece ser que la materia oscura es cada vez menos oscura...

La investigación ha sido publicada en la revista Science bajo el título "The non-gravitational interactions of dark matter in colliding galaxy clusters", por D. Harvey et al.

El equipo que ha llevado a cabo la investigación está formado por D. Harvey (École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Suiza; University of Edinburgh, Reino Unido), R. Massey (Durham University, Reino Unido), T. Kitching (University College London, Reino Unido), A. Taylor (University of Edinburgh, Reino Unido) y E. Tittley (University of Edinburgh, Reino Unido).

La imagen 1 es una composición obtenida a partir de imágenes proporcionadas por los instrumentos ACS (Advanced Camera for Surveys) y WFC3 (Wide Field Camera 3) a bordo del telescopio espacial Hubble y por el instrumento FORS1 (Focal Reducer and low dispersion Spectrograph) del VLT (Very Large Telescope) en los siguientes filtros:

- Filtro Óptico en banda B (435 mm) del ACS/Hubble.

- Filtro Óptico en banda R (625 nm) del ACS/Hubble.

- Filtro Infrarrojo en banda I (814 nm) del ACS/Hubble.

- Filtro Óptico en banda V () del FORS1/VLT.

- Filtro Óptico en banda R () del FORS1/VLT.

- Filtro Infrarrojo en banda R () del FORS1/VLT.

- Filtro Infrarrojo en banda Y (1,1 um) del WFC3/Hubble.

- Filtro Infrarrojo en banda J (1,4 um) del WFC3/Hubble.

- Filtro Óptico en banda R (606 nm) del ACS/Hubble.

- Filtro Infrarrojo en banda I (814 nm) del WFC3/Hubble.

- Filtro Óptico en banda G (606 nm) del ACS/Hubble.

- Filtro Óptico en banda V (606 nm) del ACS/Hubble.

- Filtros Ópticos en bandas V+I del ACS/Hubble.

- Filtro Óptico en banda I (814 nm) del ACS/Hubble.

La imagen 2 es una composición obtenida a partir de imágenes proporcionadas por los instrumentos ACS (Advanced Camera for Surveys) y WFC3 (Wide Field Camera 3) a bordo del telescopio espacial Hubble, por el instrumento FORS1 (Focal Reducer and low dispersion Spectrograph) del VLT (Very Large Telescope) y por el observatorio de rayos X Chandra, en los siguientes filtros: