Mapa de galaxias en el universo local visto por el Sloan Digital Sky Survey, que los científicos usaron para probar la teoría del axión. Cada punto es la posición de la galaxia y la Tierra está en el centro del mapa. Fuente: Encuesta Sloan Digital Sky
En un estudio publicado hoy en Revista de cosmología y física de astroartículos, científicos de la Universidad de Toronto revelan un avance teórico que podría explicar tanto la naturaleza de la materia oscura invisible como la estructura a gran escala del universo conocida como la red cósmica. El resultado establece un nuevo vínculo entre estos dos problemas de larga data en astronomía, abriendo nuevas vías para comprender el cosmos.
La investigación sugiere que el “problema de agrupamiento”, que se centra en la distribución inesperadamente uniforme de la materia a gran escala en todo el cosmos, podría ser una señal de que la materia oscura está compuesta de partículas hipotéticas ultraligeras llamadas axiones. Las implicaciones de probar la existencia de ejes difíciles de detectar van más allá de la comprensión de la materia oscura y podrían responder preguntas fundamentales sobre la naturaleza del universo mismo.
“Si se confirma con futuras observaciones de telescopios y experimentos de laboratorio, el descubrimiento de la materia oscura axiónica sería uno de los descubrimientos más importantes de este siglo”, dice el autor principal Keir Rogers, Dunlap Fellow en el Instituto Dunlap de Astronomía y Astrofísica en el Departamento de Artes y Ciencias en la Universidad de Toronto.
“Al mismo tiempo, nuestros resultados sugieren una explicación de por qué el universo es menos grumoso de lo que pensábamos, una observación que se ha vuelto cada vez más clara en la última década y ahora deja incierta nuestra teoría del universo”.
La materia oscura, que constituye el 85 por ciento de la masa del universo, es invisible porque no interactúa con la luz. Los científicos estudian sus efectos gravitatorios sobre la materia visible para comprender cómo se distribuye por todo el universo.
La teoría principal sugiere que la materia oscura está hecha de axiones, denominados “borrosos” en la mecánica cuántica debido a su comportamiento ondulatorio. A diferencia de las partículas puntuales discretas, los axiones pueden tener longitudes de onda más largas que las galaxias enteras. Esta borrosidad afecta la formación y distribución de la materia oscura, lo que podría explicar por qué el universo es menos grumoso de lo previsto en un universo sin ejes.
Esta falta de compacidad se ha observado en estudios de galaxias grandes, lo que desafía otra teoría dominante de que la materia oscura consiste solo en partículas subatómicas pesadas que interactúan débilmente llamadas WIMP. A pesar de experimentos como el Gran Colisionador de Hadrones, no se ha encontrado evidencia de la existencia de WIMP.
“En ciencia, es cuando las ideas se estropean cuando se hacen nuevos descubrimientos y se resuelven viejos problemas”, dice Rogers.
Como parte del estudio, el equipo de investigación, dirigido por Rogers e integrado por miembros del grupo de investigación de la profesora asociada Renée Hložek en el Instituto Dunlap, así como de la Universidad de Pensilvania, el Instituto de Estudios Avanzados, la Universidad de Columbia y el King’s College Londres: analizó las observaciones de la luz reliquia del Big Bang, conocida como Fondo Cósmico de Microondas (CMB), obtenidas de los estudios Planck 2018, Atacama Cosmology Telescope y South Pole Telescope.
Simulación por computadora de una sección del Universo con y sin ejes, que muestra cómo la estructura de la red de materia oscura cósmica es menos compacta si contiene axiones. Para escalar, la galaxia de la Vía Láctea estaría dentro de uno de los pequeños puntos verdes llamados halos. Fuente: Alexander Spencer Londres/Alex Laguë.
Los investigadores compararon estos datos de CMB con los datos de cúmulos de galaxias del Estudio Espectroscópico de Oscilación de Bariones (BOSS), que mapean las posiciones de alrededor de un millón de galaxias en el universo cercano. Al estudiar la distribución de las galaxias, que refleja el comportamiento de la materia oscura bajo la influencia de las fuerzas gravitatorias, midieron las fluctuaciones en la cantidad de materia en el universo y confirmaron su reducida compacidad en comparación con las predicciones.
Luego, los investigadores realizaron simulaciones por computadora para predecir la apariencia de la luz reliquia y la distribución de galaxias en un universo con largas longitudes de onda de materia oscura. Estos cálculos fueron consistentes con los datos del Big Bang CMB y el agrupamiento de galaxias, lo que respalda la idea de que los ejes borrosos pueden ser responsables del problema de la compacidad.
Los estudios futuros incluirán estudios a gran escala para cartografiar millones de galaxias y proporcionar mediciones precisas de la compacidad, incluidas las observaciones durante la próxima década con el Observatorio Rubin.
Los investigadores esperan comparar su teoría con las observaciones directas de la materia oscura a través de lentes gravitacionales, un efecto en el que la acumulación de materia oscura se mide por cuánto desvía la luz de las galaxias distantes, como una lupa gigante. También planean estudiar cómo las galaxias arrojan gas al espacio y cómo esto afecta la distribución de la materia oscura para validar aún más sus resultados.
Al dar forma al universo, la gravedad crea una vasta estructura similar a una red de filamentos que conectan las galaxias y los cúmulos de galaxias a lo largo de puentes invisibles de cientos de millones de años luz de largo. Esto se conoce como la red cósmica. Fuente: Volker Springel (Instituto Max Planck de Astrofísica) et al.
Comprender la naturaleza de la materia oscura es una de las cuestiones fundamentales más apremiantes y la clave para comprender el origen y el futuro del universo.
En la actualidad, los científicos no tienen una sola teoría que explique simultáneamente la gravedad y la mecánica cuántica: la teoría del todo. La teoría más popular de todo en las últimas décadas es la teoría de cuerdas, que postula otro nivel por debajo del nivel cuántico, donde todo está hecho de excitaciones de energía similares a cuerdas. Según Rogers, la detección de una partícula de axión borrosa podría ser una indicación de que la teoría de cuerdas de todo es correcta.
“Ahora tenemos las herramientas para finalmente comprender experimentalmente el misterio centenario de la materia oscura, incluso en la próxima década, y eso podría darnos pistas para responder preguntas teóricas aún más importantes”, dice Rogers. “Esperamos que los elementos desconcertantes del universo puedan resolverse”.
Proporcionado por la Universidad de Toronto