La materia oscura representa el 85 % de toda la materia que hay en el universo, pero todavía no sabemos de qué esta hecha. Su naturaleza es una de las grandes incógnitas a la que se enfrenta la Física moderna.

Esta semana se publica en la revista Astrophysical Journal Letters un estudio, liderado por el Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC), donde se asegura que esta misteriosa ‘sustancia’ no es como describe el paradigma dominante en el que las partículas de materia oscura solo se relacionan entre sí y con la materia ordinaria a través de la gravedad.

Gracias a la observación de galaxias poco masivas con el telescopio espacial Hubble, el trabajo determina que la materia oscura siente también otras fuerzas. Estas solo modifican su comportamiento ligeramente, pero proporcionan una nueva clave que permitirá entender su naturaleza.

El articulo lo firman los investigadores del IAC y de la Universidad de La Laguna (ULL) Jorge Sánchez Almeida e Ignacio Trujillo, con la colaboración del investigador de la Universidad del Noroeste de la Provincia de Buenos Aires (Argentina), Ángel Plastino.

Materia oscura o invisible

Desde hace décadas, la comunidad científica sabe que ese 85 % de la materia del universo no emite ningún tipo de radiación. Por ello, se le denomina materia oscura, aunque algunos investigadores sugieren que más que ‘oscura’ sería apropiado llamarla materia ‘invisible’.

Pero, ¿cómo estudiar algo que no emite radiación? La respuesta está en observar el movimiento de la materia ordinaria (es decir de las estrellas y el gas) bajo su efecto. Así, los astrónomos han podido determinar que se necesita materia oscura en grandes cantidades y que influye sobre el resto de la materia conocida fundamentalmente a través de la fuerza de la gravedad.

Numero de estrellas (Σ(R)/Σ(0)) frente a la distancia desde el centro de la galaxia (R/b). / J. Sánchez Almeida et al./IAC.

Por este motivo, en las últimas cuatro décadas, la hipótesis fundamental ha sido suponer que la materia oscura está compuesta por partículas con masa pero ninguna otra propiedad, sin interacción entre ellas ni con el resto de la materia conocida más allá de la fuerza gravitataria.

Modelo de materia oscura fría sin colisiones

Este modelo de materia oscura se conoce como materia oscura fría sin colisiones. Explica bien el efecto de la materia oscura sobre la formación de estructuras en el universo. Sin embargo, no resuelve la incógnita fundamental: ¿qué es la materia oscura y cómo encaja su existencia dentro del modelo de partículas elementales conocidas?

El nuevo estudio viene a desechar la idea de que la materia oscura solo interacciona a través de gravedad y se realizó analizando con una técnica nueva: la distribución de luz observada en unas galaxias muy poco masivas (con solo unas pocas miles de estrellas).

El análisis de las propiedades de estas galaxias poco masivas, tanto su estructura como su número, ha generado en los últimos años una atención de la comunidad científica porque el modelo de la materia oscura fría sin colisiones no parece encajar completamente para este tipo de galaxias.

Hasta el momento, ninguno de estos trabajos previos ha podido, de manera concluyente, rechazar el modelo simple de materia oscura, ya que los efectos de la propia materia ordinaria sobre las propiedades de las galaxias son importantes y compiten con el efecto de la materia oscura.

Sin embargo, los autores dan un paso más allá. Se han centrado en un tipo de galaxias muy particular donde la comunidad científica considera que los efectos de la materia ordinaria no desempeñan ningún papel en perfilar la forma de las galaxias. Estos objetos, de masa ultrabaja, con un millón de veces menos estrellas que nuestra Vía Láctea, son laboratorios ideales para explorar la naturaleza de la materia oscura.

“Usando una técnica novedosa basada solo en la distribución de estrellas, hemos podido rechazar el modelo de materia oscura fría sin colisiones con una alta significación estadística”, explica Sánchez Almeida y añade que “este trabajo, por lo tanto, supone una base observacional muy sólida de la que partir para explorar modelos más complejos de materia oscura y vuelve a reivindicar la Astrofísica como ciencia de vanguardia para comprender las propiedades íntimas de la materia que compone la mayor parte del universo”.

El estudio revela así que la materia oscura parece interactuar de una forma que va más allá de lo que supone el modelo cosmológico actual, en el que las partículas de materia oscura solo interaccionan entre sí a través de gravedad.

Este nuevo estudio expone que la materia oscura hace algo más. Por ejemplo, si estuviera hecha de partículas, estas chocarían entre sí como bolas de billar. En el modelo aceptado, de materia oscura sin colisiones, una atravesaría a la otra sin enterarse.

Distribución de estrellas 

Para llegar a esta conclusión, descubrieron que la distribución de las estrellas en estas galaxias enanas ultradébiles, en vez de acumularse hacia un centro, se mantiene constante. Si esto ocurre, es porque ‘algo’ ha interactuado con ellas para cambiar su rumbo y ese algo es la materia oscura que, al contrario de lo que se creía hasta ahora, es responsable por sí misma de la forma del halo de estas galaxias.

Simulación de la distribución de partículas de materia oscura esperable en una galaxia de baja masa si la materia oscura no colisionara (en naranja, concentrada hacia el centro) frente a la observada (en azul, más desperdigada). / Gabriel Pérez (IAC).

“Uno de los aspectos más fascinantes de este estudio es que todas las galaxias estudiadas tienen una distribución de estrellas idéntica. Parecería que las galaxias han olvidado su propia historia. Esto solo puede entenderse bien si la materia oscura ha borrado el pasado de estas galaxias, indicándonos que su naturaleza intima es mucho más compleja de lo que creíamos”, comenta Trujillo.

“Tras este estudio, no se resuelve la pregunta de qué es la materia oscura pero sí puede responder algo esencial: no es lo que pensábamos hasta ahora”, concluye Sánchez Almeida.