Investigan si la materia oscura se comporta como la ordinaria

¿Se rige la materia oscura por las mismas leyes que la materia ordinaria? El misterio de este componente invisible e hipotético de nuestro universo (que no emite ni refleja luz) sigue sin resolverse. Los autores de un estudio cuyos resultados se han presentado recientemente se propusieron averiguar si la materia oscura se comporta como la ordinaria.

El estudio lo ha realizado un equipo liderado por la Universidad de Ginebra (UNIGE) en Suiza, con la participación del Instituto de Estudios Espaciales de Cataluña (IEEC) y el Instituto de Ciencias del Espacio (ICE, dependiente del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), en España.

Los autores del estudio investigaron si, a escala cosmológica, esta materia se comporta como la materia ordinaria o si intervienen otras fuerzas.

La materia ordinaria obedece a cuatro fuerzas bien conocidas: la gravedad, el electromagnetismo, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil, a nivel atómico. Invisible y esquiva, la materia oscura podría estar sujeta a las mismas leyes o gobernada por una quinta fuerza aún desconocida.

Para desvelar este misterio, el equipo ha estudiado si la materia oscura cae en pozos gravitacionales de la misma manera que la materia ordinaria. Bajo la influencia de cuerpos celestes masivos, el espacio que ocupa nuestro universo se distorsiona, creando pozos gravitacionales. La materia ordinaria (planetas, estrellas y galaxias) cae en estos pozos según leyes físicas establecidas, como la teoría de la relatividad general de Einstein y las ecuaciones de Euler. Pero, ¿qué pasa con la materia oscura?

«Para responder a esta pregunta, comparamos las velocidades de las galaxias en el universo con la profundidad de los pozos gravitacionales», explica Camille Bonvin, profesora asociada del Departamento de Física Teórica de la Facultad de Ciencias de la UNIGE y coautora del estudio. «Si la materia oscura no está sujeta a una quinta fuerza, entonces las galaxias (que en su mayoría están compuestas de materia oscura) caerán en estos pozos como 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 caerán en los pozos de forma diferente. Al comparar la profundidad de los pozos con las velocidades de las galaxias, podemos comprobar la presencia de dicha fuerza».

Caracterizar la materia oscura

Al aplicar este enfoque a los datos cosmológicos actuales, el equipo concluyó que la materia oscura cae en pozos gravitacionales de la misma manera que la materia ordinaria, obedeciendo así las ecuaciones de Euler. «Sin embargo, en esta etapa, estas conclusiones aún no descartan la presencia de una fuerza desconocida. Pero si existe dicha quinta fuerza, no puede superar el 7% de la intensidad de la gravedad; de lo contrario, ya habría aparecido en nuestros análisis», afirma Nastassia Grimm, primera autora del estudio, anteriormente investigadora postdoctoral del Departamento de Física Teórica de la Facultad de Ciencias de la UNIGE, que recientemente se ha incorporado al Instituto de Cosmología y Gravitación de la Universidad de Portsmouth en el Reino Unido.

Mapa de la distribución de galaxias observadas por la colaboración DESI, a partir del cual es posible medir con precisión las velocidades de las galaxias. (Imagen: Claire Lamman / Colaboración DESI; paquete de mapas de color personalizados de cmastro)

Estos resultados iniciales representan un importante avance en la caracterización de la materia oscura. El próximo reto será determinar si se rige por una quinta fuerza. «Los próximos datos de los experimentos más recientes, 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», concluye Isaac Tutusaus, coautor del estudio, investigador del IEEC en el ICE y profesor asociado en el IRAP, observatorio Midi-Pyrénées de la Universidad de Toulouse en Francia.

El estudio se titula «Comparing the motion of dark matter and standard model particles on cosmological scales». Y se ha publicado en la revista académica Nature Communications. (Fuente: IEEC / ICE / CSIC)