Cúmulo masivo de galaxias MACSJ 1206 captado por el telescopio espacial Hubble, con algunas lentes gravitacionales (las imágenes distorsionadas de galaxias de fondo distantes). / NASA, ESA, INAF et al.

Como si fueran lupas gigantes en el espacio, las lentes gravitacionales se forman cuando un objeto muy masivo, como una galaxia o un cúmulo, curva la luz de otros más distantes situados detrás, lo que permite estudiarlos. El enorme tirón gravitacional de la materia que lo conforma, en particular la oscura, es el que distorsiona esa lejana luz.

El número de pequeñas lentes gravitacionales observadas por los telescopios Hubble y VLT en cúmulos de galaxias es diez veces superior al pronosticado por las simulaciones y la cosmología estándar

Los propios cúmulos de galaxias son lentes gravitacionales a gran escala, pero las galaxias del interior también actúan como lentes a una escala menor.

Estas últimas son las que ha analizado ahora un equipo internacional de científicos, liderado desde el Instituto Nacional de Astrofísica (INAF) en Italia, quienes han encontrado que los cúmulos galácticos contienen muchas más de estas pequeñas lentes gravitacionales de lo esperado por la cosmología estándar. Los resultados los publican en la revista Science.

Los autores han analizado once cúmulos, comparando las observaciones de lentes gravitatorias menores captadas por el telescopio espacial Hubble (NASA/ESA) y el Very Large Telescope (VLT) del Observatorio Europeo Austral (ESO) en Chile con lo que indicaban las simulaciones computacionales.

“Así hemos descubierto que la capacidad de los cúmulos de galaxias reales para crear fuertes efectos de lente a pequeña escala es diez veces mayor que en las simulaciones”, explica a SINC el autor principal, Massimo Meneghetti, del INAF.

“Esto indica que la materia en las galaxias tiene una distribución espacial que es más compacta de lo esperado por la teoría –añade–. En otras palabras, la densidad de masa alcanzada en el centro de las galaxias es tan alta que muchas de ellas pueden producir fuertes efectos de lente, algo que no aparece en las simulaciones numéricas con la misma frecuencia”.

Dos posibles explicaciones

Ante estos resultados, los investigadores concluyen que debe haber un problema desconocido con los métodos de simulación estándar, o bien que los cosmólogos han hecho suposiciones incorrectas sobre la naturaleza de la materia oscura.

“Es difícil saber cuál de las dos opciones es más probable –reconoce Meneghetti–. Por un lado, los procesos físicos que determinan cómo se comporta la materia ordinaria en las galaxias e interactúa con la oscura son muy complejos. Por eso son difíciles de simular: tienen grandes costos computacionales y es posible que no se comprendan por completo. Podría estar faltando algún ingrediente importante”.

O hay un problema con los métodos de simulación estándar o los cosmólogos han hecho suposiciones incorrectas sobre la naturaleza de la materia oscura

“Pero por otro lado –continúa–, la suposición actualmente aceptada de que la materia oscura está hecha de partículas masivas sin colisiones, que interactúan solo a través de la gravedad, ya ha sido cuestionada por otras discrepancias entre la teoría y lo observado en las proximidades de nuestra propia Vía Láctea. Además, estas partículas aún no se han detectado de forma experimental, y muchos otros candidatos todavía no se han podido descartar por las observaciones”.

Para tratar de encontrar las respuestas, los investigadores continuarán realizando simulaciones con diferentes modelos de materia oscura, evaluando si otros candidatos de esta desconocida materia pueden explicar sus observaciones, además de extender su análisis a un número mucho mayor de cúmulos galácticos con lentes gravitacionales.

“En los próximos años, por ejemplo, la misión Euclid de la ESA, en la que varios miembros de nuestro equipo están muy involucrados, va a comenzar a observar 15.000 grados cuadrados del cielo, ofreciendo observaciones de muchos miles de cúmulos de galaxias”, adelanta Meneghetti, quien espera conseguir así nuevos datos que resuelvan el misterio de las pequeñas lentes gravitacionales.

Referencia:

Massimo Meneghetti et al. “An excess of small-scale gravitational lenses observed in galaxy clusters”. Science 369, septiembre de 2020.