Una nueva teoría sobre la materia oscura podría resolver múltiples misterios cósmicos

La materia oscura ha sido uno de los mayores enigmas de la astronomía. Aunque no puede ser vista ni tocada, su influencia gravitacional es fundamental para la formación de galaxias y la estructura a gran escala del universo. Durante décadas, los científicos se han basado en el modelo de "materia oscura fría" para entender cómo se formaron y evolucionaron las galaxias. Sin embargo, con el avance de telescopios y observaciones, han surgido características desconcertantes que este modelo estándar no logra explicar.

Entre los misterios más destacados se encuentran las concentraciones inusualmente bajas de materia oscura en el centro de algunas galaxias enanas y los densos cúmulos de materia oscura inferidos a partir de lentes gravitacionales. Aunque estas observaciones parecen apuntar en direcciones opuestas, un nuevo estudio sugiere que podrían compartir una misma explicación subyacente.

Una nueva teoría para la materia oscura

Investigadores del Observatorio Purple Mountain de la Academia China de Ciencias (CAS) propusieron que la materia oscura podría no estar compuesta por un solo tipo de partícula, sino que podría incluir partículas de diferentes masas.

Su nuevo modelo de "materia oscura auto-interactuante de dos componentes" incluye al menos dos tipos de partículas de materia oscura, una más pesada y otra más ligera. Además de interactuar a través de la gravedad, estas partículas pueden colisionar directamente entre sí. Estas interacciones dan lugar a un proceso denominado "segregación de masas".

En términos simples, las partículas de materia oscura más pesadas tienden a desplazarse hacia los centros de las galaxias, mientras que las partículas más ligeras se dispersan hacia el exterior con el tiempo. Los investigadores comparan este comportamiento con los cúmulos estelares, donde las estrellas más masivas migran lentamente hacia el interior y las estrellas de menor masa se alejan del centro.

Simulaciones que coinciden con observaciones cósmicas

Utilizando simulaciones por computadora de alta resolución combinadas con un modelado teórico detallado, el equipo demostró que la segregación de masas reproduce de manera natural una amplia gama de observaciones astronómicas.

En las galaxias enanas, este proceso crea núcleos de materia oscura con densidades centrales relativamente bajas, coincidiendo con observaciones recientes sobre el agrupamiento de galaxias. En entornos más grandes y complejos, algunos halos de materia oscura se vuelven cada vez más compactos, produciendo estructuras densas capaces de generar lentes gravitacionales fuertes.

El modelo también aumenta la probabilidad de eventos de lentes gravitacionales a pequeña escala. A medida que las partículas de materia oscura más pesadas se acumulan en regiones clave, las subestructuras de materia oscura se vuelven más efectivas para magnificar la luz de galaxias de fondo distantes. Esto podría ayudar a explicar por qué los astrónomos observan más eventos de lentes fuertes a pequeña escala de lo que los modelos tradicionales predicen.

Una imagen más rica del universo invisible

Los investigadores sostienen que estos rompecabezas cosmológicos aparentemente contradictorios podrían apuntar hacia una misma conclusión. En lugar de requerir explicaciones separadas, todos podrían reflejar el hecho de que la materia oscura tiene propiedades internas más complejas de lo que se pensaba anteriormente.

A medida que futuras encuestas del cielo y observaciones de lentes gravitacionales se vuelvan aún más precisas, los científicos tendrán nuevas oportunidades para comprobar si la materia oscura está realmente compuesta por múltiples componentes. Esos "lentes cósmicos" naturales podrían proporcionar algunas de las pruebas más contundentes de esta nueva imagen del universo invisible.

Los hallazgos son el segundo estudio del equipo del Observatorio Purple Mountain que explora la materia oscura auto-interactuante de dos componentes. Su trabajo anterior, publicado en Physical Review D, examinó cómo la segregación de masas influye en la amplia gama de densidades de núcleos de materia oscura observadas en galaxias enanas. La nueva investigación fue publicada en Science Bulletin. Los autores del estudio son Daneng Yang, Yi-Zhong Fan, Siyuan Hou y Yue-Lin Sming Tsai.

El Observatorio Purple Mountain, parte de la Academia China de Ciencias, es uno de los principales centros de investigación sobre materia oscura en China. El instituto juega un papel importante en la detección indirecta de materia oscura a través del satélite DAMPE (Wukong) y realiza investigaciones influyentes en astrofísica, cosmología, materia oscura y evolución de galaxias.