Hay un ingrediente que falta en las actuales teorías de la materia oscura

Las observaciones del Telescopio Espacial Hubble de la NASA/ESA y del Very Large Telescope (VLT) del Observatorio Europeo Austral en Chile han encontrado que podría faltar algo en las teorías de cómo se comporta la materia oscura. Este ingrediente faltante podría explicar por qué los investigadores han descubierto una discrepancia inesperada entre las observaciones de las concentraciones de materia oscura en una muestra de cúmulos de galaxias masivas y las simulaciones teóricas por computadora de cómo debería distribuirse la materia oscura en los cúmulos. Los nuevos resultados indican que algunas concentraciones de materia oscura a pequeña escala producen efectos de lente de aumento que son 10 veces más fuertes de lo esperado.

La materia oscura es el pegamento invisible que mantiene a las estrellas, el polvo y el gas juntos en una galaxia. Esta misteriosa sustancia constituye el grueso de la masa de una galaxia y forma la base de la estructura a gran escala de nuestro Universo. Debido a que la materia oscura no emite, absorbe o refleja la luz, su presencia solo se conoce a través de su atracción gravitacional sobre la materia visible en el espacio. Los astrónomos y físicos todavía están tratando de precisar lo que es.

Los cúmulos de galaxias, las estructuras más masivas y recientemente ensambladas en el Universo, son también los mayores depósitos de materia oscura. Los cúmulos están compuestos por galaxias individuales que se mantienen unidas en gran parte por la gravedad de la materia oscura.

“Los cúmulos de galaxias son laboratorios ideales para estudiar si las simulaciones numéricas del Universo que están disponibles actualmente reproducen bien lo que podemos inferir de una lente gravitacional”, dijo Massimo Meneghetti del INAF-Observatorio de Astrofísica y Ciencia Espacial de Bolonia en Italia, autor principal del estudio.

“Hemos hecho muchas pruebas con los datos de este estudio, y estamos seguros de que este desajuste indica que falta algún ingrediente físico en las simulaciones o en nuestra comprensión de la naturaleza de la materia oscura”, añadió Meneghetti.

“Hay una característica del Universo real que simplemente no estamos captando en nuestros modelos teóricos actuales”, añadió Priyamvada Natarajan de la Universidad de Yale en Connecticut, EE.UU., uno de los teóricos principales del equipo. “Esto podría señalar una brecha en nuestra comprensión actual de la naturaleza de la materia oscura y sus propiedades, ya que estos exquisitos datos nos han permitido sondear la distribución detallada de la materia oscura en las escalas más pequeñas”.

La distribución de la materia oscura en los cúmulos se mapea midiendo la curvatura de la luz – el efecto de lente gravitacional – que producen. La gravedad de la materia oscura concentrada en los cúmulos magnifica y distorsiona la luz de los objetos de fondo distantes. Este efecto produce distorsiones en las formas de las galaxias de fondo que aparecen en las imágenes de los cúmulos. La lente gravitacional a menudo también puede producir múltiples imágenes de la misma galaxia distante.

Cuanto más alta es la concentración de materia oscura en un cúmulo, más dramático es su efecto de desvío de la luz. La presencia de cúmulos de materia oscura a menor escala asociados con galaxias de cúmulos individuales aumenta el nivel de distorsiones. En cierto sentido, el cúmulo de galaxias actúa como una lente a gran escala que tiene muchas lentes más pequeñas incrustadas en su interior.

Las nítidas imágenes del Hubble fueron tomadas por sus cámaras Wide Field Camera 3 y Advanced Camera for Surveys. Junto con los espectros del Very Large Telescope (VLT) del Observatorio Europeo Austral, el equipo produjo un preciso mapa de alta fidelidad de la materia oscura. Midiendo las distorsiones de las lentes, los astrónomos pudieron rastrear la cantidad y distribución de la materia oscura. Los tres cúmulos de galaxias clave, MACS J1206.2-0847, MACS J0416.1-2403 y Abell S1063, formaron parte de dos estudios del Hubble.

Para sorpresa del equipo, además de los dramáticos arcos y rasgos alargados de galaxias distantes producidos por la lente gravitacional de cada cúmulo, las imágenes del Hubble también revelaron un número inesperado de arcos de menor escala e imágenes distorsionadas anidadas cerca del núcleo de cada cúmulo, donde residen las galaxias más masivas. Los investigadores creen que las lentes anidadas son producidas por la gravedad de densas concentraciones de materia dentro de cada cúmulo de galaxias. Las observaciones espectroscópicas de seguimiento midieron la velocidad de las estrellas que orbitan dentro de varias de las galaxias del cúmulo para determinar sus masas.

“Los datos del Hubble y el VLT proporcionaron una excelente sinergia”, compartió el miembro del equipo Piero Rosati de la Università degli Studi di Ferrara en Italia, que dirigió la campaña espectroscópica. “Pudimos asociar las galaxias con cada cúmulo y estimar sus distancias”.

“La velocidad de las estrellas nos dio una estimación de la masa de cada galaxia individual, incluyendo la cantidad de materia oscura”, añadió el miembro del equipo Pietro Bergamini del INAF-Observatorio de Astrofísica y Ciencia Espacial en Bolonia, Italia.

Combinando las imágenes del Hubble y la espectroscopia del VLT, los astrónomos fueron capaces de identificar docenas de galaxias de fondo con imágenes múltiples. Esto les permitió ensamblar un mapa bien calibrado de alta resolución de la distribución de masa de la materia oscura en cada cúmulo.

El equipo comparó los mapas de materia oscura con muestras de cúmulos de galaxias simuladas con masas similares, ubicadas aproximadamente a las mismas distancias. Los cúmulos en el modelo computarizado no mostraron ninguno del mismo nivel de concentración de materia oscura en las escalas más pequeñas, las escalas asociadas con las galaxias individuales del cúmulo.

“Los resultados de estos análisis demuestran además cómo las observaciones y las simulaciones numéricas van de la mano”, dijo el miembro del equipo Elena Rasia del INAF-Observatorio Astronómico de Trieste, Italia.

Los astrónomos, incluyendo los de este equipo, esperan continuar investigando la materia oscura y sus misterios para finalmente precisar su naturaleza. (Fuente: NCYT Amazings)