Primera medición de materia oscura desde casi el arranque del universo

Científicos han investigado la naturaleza de la materia oscura que rodea a las galaxias vistas como eran hace 12,000 millones de años, miles de millones de años más atrás en el tiempo que nunca antes.

Sus hallazgos, publicados en la revista 'Physical Review Letters', ofrecen la tentadora posibilidad de que las reglas fundamentales de la cosmología difieran al examinar la historia temprana de nuestro universo.

Los autores del estudio recuerdan que ver 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 difícil es observar la materia oscura, que no emite luz.

En una galaxia fuente lejana, incluso más lejana que la galaxia cuya materia oscura se quiere investigar, su atracción gravitatoria de la galaxia fuente, 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. Así, los científicos pueden medir la cantidad de materia oscura que rodea a la galaxia en primer plano (la galaxia "lente") a partir de la distorsión.

Sin embargo, a partir de cierto punto los científicos se encuentran con 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 los casos, por lo que se necesitan muchas galaxias de fondo para detectar la señal.

La mayoría de los estudios anteriores se han quedado estancados en los mismos límites. Al no poder detectar suficientes galaxias fuente lejanas para medir la distorsión, sólo podían analizar la materia oscura de hace no más de 8,000-10,000 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.

Para superar estos problemas y observar la materia oscura desde los confines del universo, un equipo de investigación 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, utilizó una fuente diferente de luz de fondo, las microondas liberadas por el propio Big Bang.

En primer lugar, utilizando los datos de las observaciones de la Subaru Hyper Suprime-Cam Survey (HSC), el equipo identificó 1.5 millones de galaxias lente con luz visible, seleccionadas para ser vistas hace 12,000 millones de años.

A continuación, para superar la falta de luz de galaxias aún más lejanas, emplearon microondas del fondo cósmico de microondas (CMB), el residuo de radiación del Big Bang. Utilizando microondas observadas por el satélite Planck de la Agencia Espacial Europea, el equipo midió cómo la materia oscura alrededor de las galaxias objetivo distorsionaba las microondas.

El profesor Masami Ouchi, de la Universidad de Tokio, que realizó muchas de las observaciones, reconoce que pretender mirar la materia oscura alrededor de las galaxias lejanas "era una idea descabellada. Nadie se dio cuenta de que podíamos hacerlo --admite--. Pero después de dar una charla sobre una gran muestra de galaxias lejanas, Hironao vino a verme y me dijo que podría ser posible observar la materia oscura alrededor de estas galaxias con el CMB".

"La mayoría de los investigadores utilizan galaxias fuente para medir la distribución de la materia oscura desde el presente hasta hace ocho mil millones de años --añade el profesor adjunto Yuichi Harikane, del Instituto de Investigación de Rayos Cósmicos de la Universidad de Tokio--. Sin embargo, pudimos mirar más atrás en el pasado porque utilizamos el CMB más lejano para medir la materia oscura. Por primera vez, medimos la materia oscura desde casi los primeros momentos del universo".

Tras un análisis preliminar, los investigadores pronto se dieron cuenta de que tenían una muestra lo suficientemente grande como para detectar la distribución de la materia oscura. Combinando la gran muestra de galaxias lejanas y las distorsiones de las lentes en el CMB, detectaron la materia oscura incluso más atrás en el tiempo, desde hace 12,000 millones de años. Esto es sólo 1,700 millones de años después del comienzo del universo, por lo que estas galaxias se ven poco después de su formación.

"Me alegra que hayamos abierto una nueva ventana a esa época --asegura Miyatake--. Hace 12,000 millones de años, las cosas eran muy diferentes. Se ven más galaxias en proceso de formación que en la actualidad; también empiezan a formarse los primeros cúmulos de galaxias". Los cúmulos de galaxias comprenden entre 100 y 1,000 galaxias unidas por la gravedad con grandes cantidades de materia oscura".

"Este resultado ofrece una imagen muy coherente de las galaxias y su evolución, así como de la materia oscura que hay en las galaxias y alrededor de ellas, y de cómo esta imagen evoluciona con el tiempo", subraya Neta Bahcall, catedrática de astronomía Eugene Higgins, profesora de ciencias astrofísicas y directora de estudios universitarios en la Universidad de Princeton (Estados Unidos).

Uno de los hallazgos más interesantes de los investigadores 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 hallazgos del grupo sugieren que su medición de la aglomeración era inferior a la predicha por el modelo Lambda-CDM.

Miyatake se muestra entusiasmado con las posibilidades. "Nuestro hallazgo es todavía incierto --reconoce--, pero si es cierto, sugeriría que todo el modelo es defectuoso a medida que se retrocede en el tiempo. Esto es emocionante porque si el resultado se mantiene después de que se reduzcan las incertidumbres, podría sugerir una mejora del modelo que podría proporcionar una visión de la naturaleza de la propia materia oscura".

"En este momento, trataremos de obtener mejores datos para ver si el modelo Lambda-CDM es realmente capaz de explicar las observaciones que tenemos en el universo", dijo Andrés Plazas Malagón, investigador asociado de la Universidad de Princeton. "Y la consecuencia puede ser que tengamos que revisar las suposiciones que se hicieron en este modelo".

"Uno de los puntos fuertes de observar el universo mediante sondeos a gran escala, como los utilizados en esta investigación, es que se puede estudiar todo lo que se ve en las imágenes resultantes, desde los asteroides cercanos de nuestro sistema solar hasta las galaxias más lejanas del universo primitivo. Se pueden utilizar los mismos datos para explorar muchas cuestiones nuevas", afirma Michael Strauss, profesor y director del Departamento de Ciencias Astrofísicas de la Universidad de Princeton.