Miden la distribución de la materia oscura alrededor de galaxias de hace 12.000 millones de años

Una colaboración científica internacional, dirigida desde la Universidad de Nagoya (Japón), ha investigado la naturaleza de la materia oscura que rodea a galaxias observadas tal como eran hace 12.000 millones de años, es decir, miles de millones de años más atrás que lo conseguido hasta ahora.

Sus hallazgos, publicados en la revista 'Physical Review Letters', abren la posibilidad de que, remontándose tan atrás y examinado la historia temprana del universo, algunas reglas fundamentales de la cosmología no sean como se creía.

Observar y analizar algo que ocurrió hace tanto tiempo es difícil. Debido a la velocidad finita de la luz, vemos las galaxias lejanas no como son hoy, sino como eran hace miles de millones de años. Pero aún más complejo es observar la materia oscura, que no emite luz.

Para investigar la materia oscura de una galaxia se suele usar otra galaxia fuente todavía más lejana. La atracción gravitatoria de la que está en primer plano, incluida su materia oscura, distorsiona el espacio y el tiempo circundantes, como predice la teoría de la relatividad general de Einstein.

A medida que la luz de la galaxia fuente viaja a través de esta distorsión, se dobla, cambiando la forma aparente de la galaxia. Cuanto mayor sea la cantidad de materia oscura, mayor será la distorsión. Analizando esta, los científicos pueden medir la cantidad de materia oscura que rodea a la galaxia 'lente' que hay en primer plano.

Sin embargo, a partir de cierto punto surge un problema. Las galaxias de las zonas más profundas del universo son increíblemente débiles. Por ello, cuanto más lejos de la Tierra miremos, menos eficaz será esta técnica. La distorsión de la lente es sutil y difícil de detectar en la mayoría de estos casos, por lo que se necesitan muchas galaxias de fondo para detectar la señal.

La mayoría de estudios previos se han quedado estancados ahí. Al no poder detectar suficientes galaxias fuente lejanas para medir la distorsión, solo podían analizar la materia oscura de hace no más de 8.000 a 10.000 millones de años. Estas limitaciones dejaban abierta la cuestión de la distribución de la materia oscura entre esta época y hace 13.700 millones de años, alrededor del comienzo de nuestro universo.

El 'eco' o residuo de radiación del Big Bang

Para superar estos problemas y observar la materia oscura desde los confines del universo, el equipo dirigido por Hironao Miyatake de la Universidad de Nagoya, en colaboración con la Universidad de Tokio, el Observatorio Astronómico Nacional de Japón y la Universidad de Princeton (EE UU), ha utilizado una fuente diferente de luz de fondo: el fondo cósmico de microondas (CMB), el ‘eco’ del Big Bang, las microondas liberadas poco después de que comenzará el universo.

En primer lugar, con la ayuda del telescopio Subaru en Hawái (en concreto, los datos del Subaru Hyper Suprime-Cam Survey), los autores identificaron 1,5 millones de galaxias lente, seleccionadas para ser vistas hace 12.000 millones de años.

A continuación, para superar la falta de luz de galaxias aún más lejanas, emplearon el CMB, ese residuo de radiación del Big Bang registrado, en este caso, por el satélite Planck de la Agencia Espacial Europea (ESA). Con los datos o microondas observadas se logró medir cómo la materia oscura alrededor de las galaxias objetivo distorsionaba esas microondas.

Una galaxia distante y su halo de materia oscura circundante (azul) pueden desviar los rayos de luz (flechas blancas) del fondo cósmico de microondas a través de lentes gravitacionales. Miyatake y sus colegas utilizaron mediciones de esta lente por el satélite Planck y mediciones de luz de longitud de onda óptica (flecha naranja) de esas galaxias distantes realizadas por el telescopio Subaru en la Tierra para determinar la distribución de la materia oscura alrededor de las galaxias. / APS/Alan Stonebraker

"El resultado principal es que es la primera medición de la distribución de la materia oscura sobre galaxias de hace 12.000 millones de años", confirma Miyatake a SINC. Esto es solo 1.700 millones de años después del comienzo del universo, lo que significa también que estas galaxias se están observando poco después de su formación.

"Me alegra que hayamos abierto una nueva ventana a esa época, donde las cosas eran muy diferentes –añade–. Se ven más galaxias en proceso de formación que en la actualidad. También empiezan a formarse los primeros cúmulos de galaxias". Estos comprenden entre 100 y 1000 galaxias unidas por la gravedad con grandes cantidades de materia oscura.

Discrepancia con el modelo cosmológico

Precisamente uno de los hallazgos más interesantes del estudio está relacionado con la aglomeración de la materia oscura. Según la teoría estándar de la cosmología, el modelo Lambda-CDM, las fluctuaciones sutiles en el CMB forman grupos de materia densamente empaquetada al atraer la materia circundante a través de la gravedad. Esto crea cúmulos no homogéneos que forman estrellas y galaxias en estas densas regiones. Los nuevos hallazgos sugieren que la medida de la aglomeración es inferior a la predicha por el modelo Lambda-CDM.

Miyatake reconoce que todavía hay algunas incertidumbres en su resultado y que se necesitarán más datos para confirmarlo, "pero si es verdad, sugeriría que todo el modelo es defectuoso a medida que se retrocede en el tiempo. Esto es emocionante porque podría sugerir una mejora del modelo y proporcionar una visión de la naturaleza de la propia materia oscura".

El científico japonés también es consciente que su resultado es bastante nuevo, por lo que todavía no hay mucha discusión sobre teorías alternativas para explicarlo, "y honestamente, los teóricos puede que todavía no estén interesados en explicarlo debido a las incertidumbres que comentaba".

"Sin embargo –subraya–, empezamos a ver otras evidencias de la ruptura de Lambda-CDM (en concreto, discrepancias en unos valores cosmológicos llamados parámetro de Hubble y sigma8), entre las mediciones del universo tardío (hace 8.000 millones de años hasta el presente) y las mediciones del universo 'muy' temprano (unos 400.000 años después del Big Bang)".

"Hay muchos candidatos, como la extensión del modelo de energía oscura y la modificación de las relatividades generales, pero no hay ninguna teoría que pueda explicar estas discrepancias perfectamente. Nuestro resultado se encuentra en algún lugar entre la medición del universo tardío y la del universo muy temprano, y espero que ayude a averiguar qué reglas fundamentales de la cosmología pueden explicar mejor nuestro universo", afirma.

El siguiente paso es reducir las incertidumbres con más información. El grupo solo ha revisado un tercio de los datos del Subaru Hyper Suprime-Cam Survey, y ahora se centrará en el resto, lo que ofrecerá una medición aún más precisa de la distribución de la materia oscura.

En el futuro, el equipo espera utilizar otras fuentes de datos, como el Legacy Survey of Space and Time (LSST) del Observatorio Vera C. Rubin, que se está construyendo actualmente al norte de Chile, para explorar más zonas del espacio y tratar de ver la distribución de la materia oscura todavía más atrás en el tiempo, hasta hace 13.000 millones de años.

Referencia:

Hironao Miyatake et al. 'First identification of a CMB lensing signalproduced by 1.5 million galaxies at z∼4z∼4 : Constraints on matter density fluctuations at high redshift'. 'Physical Review Letters', 2022.