Los astrónomos descubren un nuevo vínculo entre la materia oscura y los cúmulos del universo

En un estudio publicado hoy en Revista de Cosmología y AstrofísicaInvestigadores de la Universidad de Toronto han revelado un avance teórico que puede explicar tanto la naturaleza invisible de la materia oscura como la estructura a gran escala del universo conocida como red cósmica. El resultado establece un nuevo vínculo entre estos dos problemas de larga data en astronomía, abriendo nuevas posibilidades para comprender el universo.

La investigación sugiere que el «problema de agrupamiento», que se centra en una distribución inesperadamente uniforme de la materia a gran escala en todo el universo, puede ser una señal de que la materia oscura está compuesta de hipotéticas partículas ultraligeras llamadas axiones. Las implicaciones de probar la existencia de ejes difíciles de detectar se extienden mucho más allá de la comprensión de la materia oscura y podrían abordar cuestiones fundamentales sobre la naturaleza del universo mismo.

«Si se confirma con futuras observaciones de telescopios y experimentos de laboratorio, encontrar materia oscura axiónica será uno de los descubrimientos más importantes de este siglo», dice el autor principal Keir Rogers, miembro de Dunlap en el Instituto Dunlap de Astronomía y Astrofísica en la Facultad de Artes. y Astrofísica. Ciencias en la Universidad de Toronto.

«Al mismo tiempo, nuestros resultados apuntan a una explicación de por qué el universo es menos grumoso de lo que pensábamos, una observación que se ha vuelto más pronunciada durante la última década y actualmente deja incierta nuestra teoría del universo».

La materia oscura, que constituye el 85% de la masa del universo, es invisible porque no interactúa con la luz. Los científicos estudian los efectos de la gravedad sobre la materia visible para comprender cómo se distribuye en el universo.

Una teoría líder propone que la materia oscura está hecha de axiones, descritos en la mecánica cuántica como «borrosos» 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 composición y distribución de la materia oscura, lo que puede explicar por qué el universo es menos grumoso de lo que se esperaría en un universo sin ejes.

Esta falta de agrupamiento se ha observado en estudios de galaxias grandes, lo que desafía la otra teoría predominante de que la materia oscura consiste únicamente en partículas subatómicas pesadas que interactúan débilmente llamadas WIMP. A pesar de experimentos como el Gran Colisionador de Hadrones, no se ha encontrado evidencia que respalde la existencia de WIMP.

«En la ciencia, cuando se desentrañan las ideas, se hacen nuevos descubrimientos y se resuelven viejos problemas», dice Rogers.

Para el estudio, el equipo de investigación, dirigido por Rogers y que incluye miembros del grupo de investigación de la profesora asociada Renee Hluczek 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 de Londres, analizó las observaciones de la luz sobrante del Big Bang, también conocida como Microondas cósmicas de fondo (CMB), obtenidas de los sondeos Planck 2018 y el Atacama Cosmology and South Pole Telescope.

Los investigadores compararon estos datos de CMB con datos de cúmulos de galaxias del Estudio Espectroscópico de Oscilación de Bariones (BOSS), que mapea las ubicaciones de casi un millón de galaxias en el universo cercano. Al estudiar la distribución de las galaxias, que reflejan el comportamiento de la materia oscura bajo las fuerzas gravitatorias, midieron las fluctuaciones en la cantidad de materia en todo el universo y confirmaron su masa más baja en comparación con las predicciones.

Luego, los investigadores realizaron simulaciones por computadora para predecir la apariencia de la luz sobrante y la distribución de galaxias en un universo con largas longitudes de onda de materia oscura. Estos cálculos se alinean con los datos CMB del Big Bang y los datos de agrupamiento de galaxias, lo que respalda la idea de que los ejes borrosos podrían explicar el problema del agrupamiento.

Las investigaciones futuras incluirán estudios a gran escala para cartografiar millones de galaxias y proporcionar mediciones precisas de la agrupación, 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 aglomeración de la materia oscura se mide por cómo se dobla la luz de las galaxias distantes, similar a una lupa gigante. También planean investigar cómo las galaxias expulsan gas al espacio y cómo esto afecta la distribución de la materia oscura para confirmar aún más sus hallazgos.

Comprender la naturaleza de la materia oscura es una de las cuestiones fundamentales más apremiantes y clave para comprender el origen y el futuro del universo.

En la actualidad, los científicos no tienen una sola teoría que explique la gravedad y la mecánica cuántica al mismo tiempo: la teoría del todo. La teoría más popular de todo en las últimas décadas es la teoría de cuerdas, que postula otro nivel más bajo del nivel cuántico, donde todo consiste en excitaciones de energía similar a una cuerda. Según Rogers, el descubrimiento de una misteriosa partícula axial podría ser un indicio de que la teoría de cuerdas de todo es correcta.

«Ahora tenemos las herramientas que, incluso en la próxima década, finalmente nos permitirán comprender experimentalmente algo sobre un misterio de materia oscura de un siglo de antigüedad, y eso podría darnos indicios de respuestas sobre preguntas teóricas más importantes», dice Rogers. . «La esperanza es que los elementos desconcertantes del universo puedan resolverse».