Observaciones extrañas de galaxias desafían ideas sobre la materia oscura

Observaciones desconcertantes de galaxias distantes están desafiando las ideas dominantes de los cosmólogos sobre el universo, potencialmente llevando a la implicación de que la extraña sustancia llamada materia oscura no existe.

Esa es una posible conclusión de un nuevo estudio publicado el 20 de junio en The Astrophysical Journal Letters. El hallazgo "plantea preguntas de una naturaleza extraordinariamente fundamental", dice Richard Brent Tully, un astrónomo de la Universidad de Hawái en Manoa que no estuvo involucrado en el trabajo.

Los astrónomos sospechan que la materia oscura existe debido a la forma en que las estrellas y otros materiales visibles en el borde visible de una galaxia rotan. Las velocidades de rotación de los objetos lejos del centro galáctico son mucho mayores de lo que deberían ser dada la cantidad de materia luminosa vista en los telescopios. Bajo el entendimiento actual de la gravedad por parte de los físicos, esto implica que un enorme reservorio de materia invisible debe estar tirando de esas estrellas.

Los nuevos resultados se basan en el hecho de que los objetos masivos deforman la estructura del espacio y el tiempo. Las galaxias están hechas de enormes cantidades de estrellas visibles, gas y polvo, así como —según la teoría— un enorme halo de materia oscura invisible. Esto significa que la luz se doblará y distorsionará a medida que viaje más allá de una galaxia, un efecto conocido como lente gravitacional.

Sabiendo esto, el astrónomo Tobias Mistele de Case Western Reserve University en Cleveland y sus colegas decidieron buscar signos de lente gravitacional alrededor de múltiples galaxias como una forma de investigar el contenido de las galaxias. El equipo examinó un catálogo de aproximadamente 130,000 galaxias capturadas por el VLT Survey Telescope en el Observatorio Paranal de la European Southern Observatory en Chile, buscando rastros reveladores que indicaran la presencia de galaxias más distantes cuya luz había sido doblada y distorsionada por los objetos intermedios.

La cantidad de lentes proporciona un indicador para las masas de las galaxias en primer plano, incluyendo tanto su materia luminosa como, presumiblemente, la cantidad mucho mayor de materia oscura que rodea cada galaxia. El equipo luego calculó la masa a varias distancias desde el centro de cada galaxia y usó eso para inferir la velocidad a la que una estrella orbitaría a esas distancias.

Bajo el modelo prevalente de cosmología, llamado Lambda CDM, la materia oscura se agrupa en enormes masas en el cosmos, y la atracción gravitatoria de estas masas atrae materia visible, que luego forma una galaxia (SN: 4/4/24). Observaciones previas han establecido que estos agrupamientos en forma de halo se extienden hasta al menos 300,000 años luz desde el centro de una galaxia. Más allá de ese borde, las tasas de rotación de las estrellas deberían comenzar a disminuir.

Sin embargo, usando sus datos de lente gravitacional, Mistele y sus colegas calcularon que una estrella situada a un millón de años luz del centro de cada galaxia, y potencialmente hasta a 3 mil millones de años luz de distancia, todavía estaría rotando demasiado rápido dado tanto la materia visible como la materia oscura que se cree está presente en la galaxia.

¿Significa eso que hay incluso más material invisible de lo que se pensaba previamente? Tal vez no.

Una teoría rival a Lambda CDM, conocida como dinámica newtoniana modificada, o MOND, elimina por completo el concepto de materia oscura y en su lugar sugiere que la gravedad se comporta de manera diferente en la escala de las galaxias (SN: 3/28/18). Defendida durante mucho tiempo por la coautora de Mistele, Stacy McGaugh, también de Case Western, MOND predice específicamente el tipo de observaciones encontradas en el estudio.

Pero Lambda CDM no ha sido descartada aún.

"Creo que es realmente un estiramiento decir que se puede eliminar la materia oscura, porque las líneas de evidencia [para ello] son tan numerosas", dice Bhuvnesh Jain, un cosmólogo de la Universidad de Pensilvania.

Por ejemplo, el crecimiento de estructuras a gran escala en el universo desde el Big Bang se explica mucho mejor por Lambda CDM que por MOND. Jain sugiere que quizás haya ideas aún más exóticas en los modelos matemáticos de la gravedad, inspiradas por el pensamiento de dimensiones superiores encontrado en la teoría de cuerdas, que podrían dar cuenta de la estructura a gran escala actual del universo. Ciertas variaciones de tales ideas podrían explicar los datos de Mistele y sus colegas mientras también revisan el papel de la materia oscura.

Las observaciones del satélite Euclid de la Agencia Espacial Europea, que fue lanzado el año pasado, pronto proporcionarán a los investigadores datos de lente gravitacional mucho mejores, potencialmente ayudando a desentrañar lo que está sucediendo con este extraño misterio.