Científicos detectan por primera vez materia oscura en los inicios del universo
4 agosto, 2022
La materia oscura es uno de los grandes misterios del cosmos. Uno de los grandes retos es que no se puede observar directamente, sino que se reconocen sus efectos sobre su entorno. Los estudios de materia oscura suelen reconocerla en periodos que no van más allá de 8 o 10 millones de años atrás.
Un estudio publicado recientemente en la revista científica Physical Review Letters fue mucho más atrás en el tiempo. A partir de un método nuevo lograron encontrar materia oscura de hace 12 mil millones de años.
En busca del lente adecuado
Los participantes de la investigación recurrieron a una fuente distinta de información. Para su observación recurrieron al Fondo Cósmico de Microondas (CMB, por sus siglas en inglés). En el estudio participaron investigadores de las universidades japonesas de Nagoya y Tokio, así como el Observatorio Astronómico Nacional de Japón, además de la Universidad de Princeton en Estados Unidos. El equipo identificó 1.5 millones de galaxias con luz visible que se pueden observar como eran hace 12 mil millones de años.
La idea de observar materia oscura a grandes distancias, y en consecuencia de gran antigüedad, parecía descabellada. “Pero después de dar una charla sobre una gran muestra de galaxias distantes, Hironao [Miyatake] vino a mí y me dijo que podría ser posible ver la materia oscura alrededor de estas galaxias con el CMB”, recuerda el profesor Masami Ouchi de la Universidad de Tokio.
La luz tiene una velocidad constante. Esto provoca que mientras más alejado está un objeto, más tarde en llegar hasta nuestro planeta. De esta forma, la luz que emitieron las galaxias más alejadas llega a nosotros para mostrarnos cómo eran en el pasado. La materia oscura que estudió el equipo dirigido por Hironao Miyatake, de la Universidad de Nagoya, revela cómo era cuando apenas habían pasado 1.7 mil millones de años después del Big Bang.
85% de la masa del universo es materia oscura y observarla es una tarea complicada. Para reconocerla los astrónomos se basan en la forma en que interactúa con la gravedad. En el estudio de la materia oscura son de gran utilidad los lentes gravitacionales, objetos predichos por la teoría de la relatividad de Albert Einstein.
De acuerdo a la teoría de la relatividad, los objetos con una gran cantidad de masa deforman la curvatura del espacio-tiempo. El ejemplo más común que se usa para explicarlo es una pelota que descansa sobre una malla o una tela, mientras más pesada sea la pelota más transformará la forma original del material que lo sostiene. A escala cósmica este efecto se reconoce en las lentes gravitacionales. Cuando la luz de una galaxia fuente (donde se origina) atraviesa a otra galaxia, esta segunda modifica su camino. Algo similar a lo que hace una lupa o un lente de aumento.
Para estudiar la materia oscura, los astrónomos analizan la deformación que sufrió la luz a su paso por la lente gravitacional. Mientras más distorsionada fue la imagen, más masa encontró en su paso por la lente, lo que indica que había más materia oscura ahí. Esta técnica resulta poco útil al estudiar objetos distantes porque mientras más alejada está una galaxia, más tenue será la luz que llega hasta nosotros y se vuelve más complicado reconocer el efecto de las lentes gravitacionales a su paso.
Aquí es donde las microondas aparecen al rescate de los investigadores. El CMB es radiación presente en todo el universo que se creó cuando el universo estuvo suficientemente frío para formar átomos. Esto redujo el número de electrones libres de dispersión de fotones. Este momento se conoce como la “última dispersión”. Con la reducción de electrones libres los fotones lograron viajar libremente, por lo que el universo dejó de ser opaco para transparentarse a la luz. Al igual que toda la demás luz, el CMB también se ve distorsionado por los lentes gravitacionales.
“La mayoría de los investigadores usan galaxias fuente para medir la distribución de materia oscura desde el presente hasta hace 8 mil millones de años”, explica Yuichi Harikane, quien es profesor asistente de la Universidad de Tokio. "Sin embargo, pudimos mirar más atrás en el pasado porque utilizamos el CMB más distante para medir la materia oscura", agrega.
“Por primera vez, estábamos midiendo la materia oscura desde casi los primeros momentos del universo”, comenta Harikane. "12 mil millones de años atrás, las cosas eran muy diferentes. Ves más galaxias que están en proceso de formación que en el presente; los primeros cúmulos de galaxias están comenzando a formarse también”, explica el investigador. Estos cúmulos de los que habla pueden estar formados por entre 100 y mil galaxias unidas por la gravedad a materia oscura.
Entre los hallazgos de la investigación está que la densidad de galaxias y estrellas en los cúmulos es inferior a la predicha. La aglomeración de materia oscura no coincide con la que explica el modelo Lambda-CDM. Miyatake sugiere que esta es una oportunidad para mejorar el modelo. Si este no coincide con las observaciones habrá que hacer los ajustes pertinentes. Apenas es un primer acercamiento con la materia oscura de los inicios de nuestro universo y habrá que ver los hallazgos que sigan.