Misteriosas líneas espectrales observadas en el cúmulo galáctico de Perseo. Imagen: Esra Bulbul et al. Fuente: NASA/CXC/SAO.
La búsqueda de la materia oscura da nuevos pasos gracias, por un lado, a nuevas simulaciones en supercomputadoras que muestran la evolución de nuestro "Universo local" desde el Big Bang hasta nuestros días, y a observaciones de líneas espectrales de rayos X en cúmulos de galaxias que parecen indicar la presencia de neutrinos estériles, componentes de materia oscura.
Físicos de la Universidad de Durham (Inglaterra), que lideran la primera de las investigaciones, afirman que sus simulaciones podrían mejorar la comprensión de la materia oscura, una misteriosa sustancia que se cree que constituyen el 85 por ciento de la masa del Universo.
El profesor Carlos Frenk, director del Instituto de Cosmología Computacional de la universidad, reconoce en la nota de prensa de la institución: "He estado perdiendo sueño por esto durante los últimos 30 años. La materia oscura es la clave de todo lo que sabemos acerca de las galaxias, pero todavía no sabemos con exactitud su naturaleza. La comprensión de cómo se formaron las galaxias es la clave para el misterio de la materia oscura".
Los científicos creen que cúmulos de materia oscura -o halos- que emergieron en los inicios del universo, atraparon el gas intergaláctico y se convirtieron en los lugares de nacimiento de las galaxias.
La teoría cosmológica predice que nuestro propio vecindario cósmico debe estar colmado de millones de pequeños halos, pero se han observado sólo unas pocas docenas de galaxias pequeñas alrededor de la Vía Láctea. El profesor Frenk señala: "Sabemos que no puede haber una galaxia en cada halo. La pregunta es por qué".
Los investigadores de Durham creen que sus simulaciones responden a esta pregunta, mostrando explícitamente cómo y por qué millones de halos alrededor de nuestra galaxia y la vecina Andrómeda no pudieron producir galaxias y se convirtieron en mundos estériles. Dicen que el gas que habría formado galaxias fue esterilizado por el calor de las primeras estrellas que se formaron en el Universo y eso le impidió enfriarse y convertirse en estrellas.
Sin embargo, unos pocos halos lograron eludir este horno cósmico creciendo pronto y lo suficientemente rápido para mantener su gas y terminar formando galaxias.
Presentación de resultados
Los resultados serán presentados en la Reunión Astronómica Nacional de la Real Sociedad de Astronomía en Portsmouth (Reino Unido), hoy jueves 26 de junio.
El profesor Frenk, que también hoy recibirá el máximo galardón de la Sociedad, la Medalla de Oro de la Astronomía, añade: "Hemos aprendido que la mayoría de los halos de materia oscura son muy diferentes de los "pocos elegidos" que se ilumina con la luz de las estrellas".
"Gracias a las simulaciones sabemos que si nuestras teorías de la materia oscura son correctas, entonces el Universo que nos rodea debe de estar lleno de halos que no lograron formar una galaxia. Tal vez los astrónomos algún día desarrollen una manera de encontrarlos".
El investigador principal, Hasta Sawala, del Instituto de Cosmología Computacional de la Universidad de Durham, explica que la investigación es la primera que ha simulado en su totalidad la evolución de nuestro "grupo local" de galaxias, incluida la Vía Láctea, Andrómeda, sus satélites y varias pequeñas galaxias aisladas.
"Lo que hemos visto en nuestras simulaciones es un gol cósmico en propia puerta", resume Sawala. "Ya sabíamos que la primera generación de estrellas emitían radiación intensa, calentando el gas intergaláctico a temperaturas más calientes que la superficie del sol. Después de eso, el gas está tan caliente que la formación de más estrellas se pone mucho más difícil, dejando a los halos con pocas posibilidades para formar galaxias".
"Hemos sido capaces de demostrar que el calentamiento cósmico no fue simplemente una lotería con unos pocos afortunados ganadores. En lugar de eso, se trató de un riguroso proceso de selección y sólo los halos que crecieron lo suficientemente rápido fueron aptos para la formación de galaxias ".
La investigación es parte del proyecto Eagle, más grande, y desarrollado por cosmólogos de la Universidad de Durham y de la Universidad de Leiden, en los Países Bajos. Eagle es uno de los primeros intentos para simular desde el comienzo la formación de galaxias en un volumen representativo del Universo. Escudriñando el universo virtual, los investigadores encuentran galaxias notablemente parecidas a la nuestra, rodeadas de innumerables halos de materia oscura, sólo una pequeña fracción de los cuales contienen las galaxias.
La simulación liderada desde Durham se llevó a cabo en la Máquina de Cosmología, que es la parte de la instalación nacional de supercomputación DiRAC, para la investigación en astrofísica y la física de partículas.
La Máquina de Cosmología -con base en la Universidad de Durham- tiene más de 5.000 veces la potencia de cálculo de los ordenadores normales, y más de 10.000 veces su cantidad de memoria.
Físicos de la Universidad de Durham (Inglaterra), que lideran la primera de las investigaciones, afirman que sus simulaciones podrían mejorar la comprensión de la materia oscura, una misteriosa sustancia que se cree que constituyen el 85 por ciento de la masa del Universo.
El profesor Carlos Frenk, director del Instituto de Cosmología Computacional de la universidad, reconoce en la nota de prensa de la institución: "He estado perdiendo sueño por esto durante los últimos 30 años. La materia oscura es la clave de todo lo que sabemos acerca de las galaxias, pero todavía no sabemos con exactitud su naturaleza. La comprensión de cómo se formaron las galaxias es la clave para el misterio de la materia oscura".
Los científicos creen que cúmulos de materia oscura -o halos- que emergieron en los inicios del universo, atraparon el gas intergaláctico y se convirtieron en los lugares de nacimiento de las galaxias.
La teoría cosmológica predice que nuestro propio vecindario cósmico debe estar colmado de millones de pequeños halos, pero se han observado sólo unas pocas docenas de galaxias pequeñas alrededor de la Vía Láctea. El profesor Frenk señala: "Sabemos que no puede haber una galaxia en cada halo. La pregunta es por qué".
Los investigadores de Durham creen que sus simulaciones responden a esta pregunta, mostrando explícitamente cómo y por qué millones de halos alrededor de nuestra galaxia y la vecina Andrómeda no pudieron producir galaxias y se convirtieron en mundos estériles. Dicen que el gas que habría formado galaxias fue esterilizado por el calor de las primeras estrellas que se formaron en el Universo y eso le impidió enfriarse y convertirse en estrellas.
Sin embargo, unos pocos halos lograron eludir este horno cósmico creciendo pronto y lo suficientemente rápido para mantener su gas y terminar formando galaxias.
Presentación de resultados
Los resultados serán presentados en la Reunión Astronómica Nacional de la Real Sociedad de Astronomía en Portsmouth (Reino Unido), hoy jueves 26 de junio.
El profesor Frenk, que también hoy recibirá el máximo galardón de la Sociedad, la Medalla de Oro de la Astronomía, añade: "Hemos aprendido que la mayoría de los halos de materia oscura son muy diferentes de los "pocos elegidos" que se ilumina con la luz de las estrellas".
"Gracias a las simulaciones sabemos que si nuestras teorías de la materia oscura son correctas, entonces el Universo que nos rodea debe de estar lleno de halos que no lograron formar una galaxia. Tal vez los astrónomos algún día desarrollen una manera de encontrarlos".
El investigador principal, Hasta Sawala, del Instituto de Cosmología Computacional de la Universidad de Durham, explica que la investigación es la primera que ha simulado en su totalidad la evolución de nuestro "grupo local" de galaxias, incluida la Vía Láctea, Andrómeda, sus satélites y varias pequeñas galaxias aisladas.
"Lo que hemos visto en nuestras simulaciones es un gol cósmico en propia puerta", resume Sawala. "Ya sabíamos que la primera generación de estrellas emitían radiación intensa, calentando el gas intergaláctico a temperaturas más calientes que la superficie del sol. Después de eso, el gas está tan caliente que la formación de más estrellas se pone mucho más difícil, dejando a los halos con pocas posibilidades para formar galaxias".
"Hemos sido capaces de demostrar que el calentamiento cósmico no fue simplemente una lotería con unos pocos afortunados ganadores. En lugar de eso, se trató de un riguroso proceso de selección y sólo los halos que crecieron lo suficientemente rápido fueron aptos para la formación de galaxias ".
La investigación es parte del proyecto Eagle, más grande, y desarrollado por cosmólogos de la Universidad de Durham y de la Universidad de Leiden, en los Países Bajos. Eagle es uno de los primeros intentos para simular desde el comienzo la formación de galaxias en un volumen representativo del Universo. Escudriñando el universo virtual, los investigadores encuentran galaxias notablemente parecidas a la nuestra, rodeadas de innumerables halos de materia oscura, sólo una pequeña fracción de los cuales contienen las galaxias.
La simulación liderada desde Durham se llevó a cabo en la Máquina de Cosmología, que es la parte de la instalación nacional de supercomputación DiRAC, para la investigación en astrofísica y la física de partículas.
La Máquina de Cosmología -con base en la Universidad de Durham- tiene más de 5.000 veces la potencia de cálculo de los ordenadores normales, y más de 10.000 veces su cantidad de memoria.
Una misteriosa línea espectral
Por otro lado, astrónomos que utilizan los observatorios de alta energía de la ESA (Agencia Espacial Europea) y la NASA (la Agencia estadounidense) han hecho otro descubrimiento prometedor que podría tener que ver con la materia oscura.
Aunque se cree que es invisible, que no emite ni absorbe la luz, la materia oscura puede ser detectada a través de su influencia gravitatoria sobre los movimientos y el aspecto de otros objetos en el Universo, tales como estrellas o galaxias.
Con base en esta evidencia indirecta, los astrónomos creen que la materia oscura es el tipo dominante de la materia en el Universo; sin embargo, eso sigue sin estar claro.
Ahora puede haberse encontrado una pista, mediante el estudio de los cúmulos de galaxias, las mayores asambleas cósmicas de materia unidos por la gravedad.
Los cúmulos de galaxias no sólo contienen cientos de galaxias, sino también una gran cantidad de gas caliente que llena el espacio entre ellas.
Sin embargo, medir la influencia gravitatoria de estas agrupaciones galácticas muestra que las galaxias y el gas representan sólo una quinta parte de la masa total: el resto se cree que es la materia oscura.
El gas es principalmente hidrógeno y, a más de 10 millones de grados centígrados, es lo suficientemente caliente como para emitir rayos-X. Los rastros de otros elementos contribuyen a "líneas" adicionales de rayos-X en longitudes de onda específicas.
Examinando las observaciones de los telescopios espaciales XMM-Newton de la ESA y Chandra de la NASA en torno a estas líneas características, en 73 cúmulos de galaxias, los astrónomos tropezaron con una intrigante tenue línea en una longitud de onda en la que no se había visto una anteriormente.
"Si esta señal extraña hubiera sido creada por un elemento conocido presente en el gas, debería haber dejado otras señales de luz de rayos X en otras longitudes de onda conocidas, pero no quedó registrada ninguna otra", explica Esra Bulbul del Centro Harvard-Smithsonian para Astrofísica de Cambridge (Massachusetts, EE.UU.), autor principal del artículo que analiza los resultados, en la nota de prensa de la ESA. "Así que tuvimos que buscar una explicación más allá del reino de la materia ordinaria".
Neutrinos estériles
Los astrónomos sugieren que la emisión puede haber sido creada por la descomposición de un tipo exótico de partícula subatómica conocida como "neutrino estéril", que está predicha en la teoría, pero que todavía no se ha detectado.
Los neutrinos ordinarios son partículas de masa muy baja que interactúan sólo en raras ocasiones con la materia a través de la llamada fuerza nuclear débil, así como a través de la gravedad. Se cree que los neutrinos estériles interactúan con la materia ordinaria solamente a través de la gravedad, por lo que son un posible candidato a formar la materia oscura.
"Si la interpretación de nuestras nuevas observaciones es correcta, al menos parte de la materia oscura en los cúmulos de galaxias podría estar hecha de neutrinos estériles", explica Bulbul.
Por otro lado, astrónomos que utilizan los observatorios de alta energía de la ESA (Agencia Espacial Europea) y la NASA (la Agencia estadounidense) han hecho otro descubrimiento prometedor que podría tener que ver con la materia oscura.
Aunque se cree que es invisible, que no emite ni absorbe la luz, la materia oscura puede ser detectada a través de su influencia gravitatoria sobre los movimientos y el aspecto de otros objetos en el Universo, tales como estrellas o galaxias.
Con base en esta evidencia indirecta, los astrónomos creen que la materia oscura es el tipo dominante de la materia en el Universo; sin embargo, eso sigue sin estar claro.
Ahora puede haberse encontrado una pista, mediante el estudio de los cúmulos de galaxias, las mayores asambleas cósmicas de materia unidos por la gravedad.
Los cúmulos de galaxias no sólo contienen cientos de galaxias, sino también una gran cantidad de gas caliente que llena el espacio entre ellas.
Sin embargo, medir la influencia gravitatoria de estas agrupaciones galácticas muestra que las galaxias y el gas representan sólo una quinta parte de la masa total: el resto se cree que es la materia oscura.
El gas es principalmente hidrógeno y, a más de 10 millones de grados centígrados, es lo suficientemente caliente como para emitir rayos-X. Los rastros de otros elementos contribuyen a "líneas" adicionales de rayos-X en longitudes de onda específicas.
Examinando las observaciones de los telescopios espaciales XMM-Newton de la ESA y Chandra de la NASA en torno a estas líneas características, en 73 cúmulos de galaxias, los astrónomos tropezaron con una intrigante tenue línea en una longitud de onda en la que no se había visto una anteriormente.
"Si esta señal extraña hubiera sido creada por un elemento conocido presente en el gas, debería haber dejado otras señales de luz de rayos X en otras longitudes de onda conocidas, pero no quedó registrada ninguna otra", explica Esra Bulbul del Centro Harvard-Smithsonian para Astrofísica de Cambridge (Massachusetts, EE.UU.), autor principal del artículo que analiza los resultados, en la nota de prensa de la ESA. "Así que tuvimos que buscar una explicación más allá del reino de la materia ordinaria".
Neutrinos estériles
Los astrónomos sugieren que la emisión puede haber sido creada por la descomposición de un tipo exótico de partícula subatómica conocida como "neutrino estéril", que está predicha en la teoría, pero que todavía no se ha detectado.
Los neutrinos ordinarios son partículas de masa muy baja que interactúan sólo en raras ocasiones con la materia a través de la llamada fuerza nuclear débil, así como a través de la gravedad. Se cree que los neutrinos estériles interactúan con la materia ordinaria solamente a través de la gravedad, por lo que son un posible candidato a formar la materia oscura.
"Si la interpretación de nuestras nuevas observaciones es correcta, al menos parte de la materia oscura en los cúmulos de galaxias podría estar hecha de neutrinos estériles", explica Bulbul.
Referencia bibliográfica:
Esra Bulbul et al.: Detection of an Unidentified Emission Line in the Stacked X-Ray Spectrum of Galaxy Clusters. The Astrophysical Journal (2014). DOI:10.1088/0004-637X/789/1/13.
Esra Bulbul et al.: Detection of an Unidentified Emission Line in the Stacked X-Ray Spectrum of Galaxy Clusters. The Astrophysical Journal (2014). DOI:10.1088/0004-637X/789/1/13.