La materia oscura se comporta de manera sorprendentemente normal en un nuevo test

¿La materia oscura se comporta según las mismas reglas físicas que la materia ordinaria? Esta pregunta ha sido uno de los grandes enigmas de la cosmología moderna, ya que esta forma de materia, que no emite ni refleja luz, sigue siendo hipotética y extremadamente difícil de estudiar directamente. Investigadores de la Université de Genève (UNIGE) y otras instituciones colaboradoras se propusieron determinar si la materia oscura sigue un comportamiento familiar a gran escala o si otras fuerzas podrían influir en ella. Su estudio, publicado en Nature Communications, indica que la materia oscura parece comportarse de manera similar a la materia ordinaria, aunque no se puede descartar la posibilidad de una interacción adicional desconocida. Dado que se considera que la materia oscura es cinco veces más común que la materia ordinaria, incluso un pequeño nuevo hallazgo ayuda a aclarar su papel en la formación del universo.

La materia ordinaria se ve afectada por cuatro fuerzas fundamentales conocidas: la gravedad, el electromagnetismo y las fuerzas fuerte y débil dentro de los átomos. La cuestión es si la materia oscura responde al mismo conjunto de fuerzas. Aunque la materia oscura es invisible y difícil de detectar, podría seguir estas leyes familiares o estar influenciada por una quinta fuerza que los científicos aún no han identificado.

Investigando cómo se mueve la materia oscura a través de pozos gravitacionales

Para explorar esta posibilidad, el equipo liderado por UNIGE examinó si la materia oscura se hunde en pozos gravitacionales de la misma manera que lo hace la materia ordinaria a escalas cósmicas. Los objetos masivos distorsionan la estructura del espacio, formando estos pozos. La materia ordinaria, como planetas, estrellas y galaxias, cae en ellos de acuerdo con principios físicos establecidos que incluyen la relatividad general de Einstein y las ecuaciones de Euler. El equipo quería saber si la materia oscura se comporta de la misma manera predecible.

"Para responder a esta pregunta, comparamos las velocidades de las galaxias en el universo con la profundidad de los pozos gravitacionales", explicó Camille Bonvin, profesora asociada en el Departamento de Física Teórica de la Facultad de Ciencias de UNIGE y coautora del estudio. "Si la materia oscura no está sujeta a una quinta fuerza, entonces las galaxias, que están compuestas en su mayoría de materia oscura, caerán en estos pozos como lo hace la materia ordinaria, gobernadas únicamente por la gravedad. Por otro lado, si una quinta fuerza actúa sobre la materia oscura, influirá en el movimiento de las galaxias, que caerían en los pozos de manera diferente. Al comparar la profundidad de los pozos con las velocidades de las galaxias, podemos, por lo tanto, probar la presencia de tal fuerza".

La materia oscura parece seguir las ecuaciones de Euler

Utilizando este método en datos cosmológicos modernos, los investigadores encontraron que la materia oscura se mueve hacia los pozos gravitacionales de la misma manera que la materia ordinaria, lo que significa que es consistente con las ecuaciones de Euler. "En esta etapa, sin embargo, estas conclusiones aún no descartan la presencia de una fuerza desconocida. Pero si tal quinta fuerza existe, no puede superar el 7% de la fuerza de la gravedad; de lo contrario, ya habría aparecido en nuestros análisis", afirmó Nastassia Grimm, primera autora del estudio y ex investigadora postdoctoral en el Departamento de Física Teórica de UNIGE, quien recientemente se unió al Instituto de Cosmología y Gravitación de la Universidad de Portsmouth.

¿Qué sigue en la búsqueda de nueva física?

Estos hallazgos iniciales representan un paso importante para refinar nuestra comprensión de la materia oscura. El próximo objetivo clave es determinar si una sutil quinta fuerza realmente la afecta. "Los próximos datos de los nuevos experimentos, como LSST y DESI, serán sensibles a fuerzas tan débiles como el 2% de la gravedad. Por lo tanto, deberían permitirnos aprender aún más sobre el comportamiento de la materia oscura", concluyó Isaac Tutusaus, investigador en ICE-CSIC y IEEC y profesor asociado en el observatorio IRAP, en Midi-Pyrénées, Universidad de Toulouse, coautor del estudio.