La imagen del Hubble muestra el cúmulo de galaxias MACS J1206. Incrustadas en el cúmulo hay imágenes distorsionadas de galaxias de fondo distantes. Esas distorsiones son causadas por la materia oscura del cúmulo, cuya gravedad dobla y magnifica la luz de las galaxias lejanas, un efecto llamado lente gravitacional
La imagen del Hubble muestra el cúmulo de galaxias MACS J1206. Incrustadas en el cúmulo hay imágenes distorsionadas de galaxias de fondo distantes. Esas distorsiones son causadas por la materia oscura del cúmulo, cuya gravedad dobla y magnifica la luz de las galaxias lejanas, un efecto llamado lente gravitacional

Las últimas observaciones del Telescopio Espacial Hubble y del Very Large Telescope (VLT) en Chile han revelado que falta un «ingrediente» en las actuales teorías sobre la materia oscura, lo que podría ser la causa de que los científicos no hayan conseguido encontrarla hasta ahora.

Dicho ingrediente podría explicar, además, la razón de una inesperada discrepancia entre las observaciones de distribución de materia oscura en cúmulos de galaxias masivas y las simulaciones teóricas de cómo la materia oscura debería distribuirse en el interior de esos cúmulos. Los nuevos hallazgos indican que algunas concentraciones de materia oscura a pequeña escala producen efectos de lente gravitacional que son hasta diez veces más fuertes de lo esperado. Los resultados de esta investigación se acaban de publicar en Science.

Aunque no podamos verla, ya que no emite radiación y por lo tanto no es detectable por nuestros instrumentos, se sabe que la materia oscura es el «pegamento» que mantiene a las estrellas, el polvo y el gas unidos en una galaxia. De hecho, esa misteriosa sustancia da cuenta de la mayor parte de la masa de las galaxias, y constituye la base sobre la que se estructura el Universo en que vivimos. Sin embargo, y debido a que la materia oscura no emite, absorbe ni refleja radiación, su presencia sólo se conoce por la influencia gravitacional que ejerce sobre la materia que sí podemos ver en el espacio. Físicos y astrónomos llevan décadas tratando de determinar qué es exactamente este misterioso tipo de materia, cinco veces más abundante que la materia «normal» que da forma a los planetas, estrellas y galaxias que podemos ver.

Depósitos de materia oscura

Los grandes cúmulos galácticos, agrupaciones de galaxias que son las estructuras más masivas del Universo, son también los mayores depósitos de materia oscura. Los cúmulos, de hecho, están compuestos por galaxias individuales que, en gran parte, se mantienen unidas debido a la gravedad de la materia oscura.

«Los cúmulos de galaxias -explica Massimo Meneghetti, principal autor del estudio- son laboratorios ideales para estudiar si las simulaciones informáticas del Universo reproducen fielmente lo que podemos inferir de las lentes gravitacionales».

Una lente gravitacional se forma cuando la luz procedente de un objeto distante se curva al pasar cerca de objetos muy masivos, como por ejemplo un cúmulo galáctico. Al hacerlo, y como si se tratara de una enorme lupa espacial, los objetos que observan los científicos se distorsionan y se magnifican, pareciendo más cercanos. Este fenómeno permite a los astrónomos estudiar galaxias remotas que de otro modo serían demasiado débiles para ver.

«Hemos llevado a cabo muchas pruebas con los datos de este estudio -prosigue Meneghetti- y estamos seguros de que ese desajuste indica que falta algún ingrediente físico en las simulaciones o en nuestra comprensión de la verdadera naturaleza de la materia oscura».

«Hay una característica del Universo real que, sencillamente, no estamos contemplando en nuestros modelos teóricos actuales -afirma por su parte Priyamvada Natarajan, de la Universidad de Yale y uno de los teóricos del estudio-. Esto podría indicar una brecha en nuestra comprensión actual de la naturaleza de la materia oscura y sus propiedades, ya que estos datos exquisitos nos han permitido sondear al detalle la distribución de la materia oscura en las escalas más pequeñas».

El pegamento del Universo

La distribución de la materia oscura en los cúmulos galácticos se obtiene midiendo cómo se curva la luz debido al efecto de lente gravitacional que esos cúmulos producen. La gravedad de la materia oscura concentrada en los cúmulos aumenta y deforma, de hecho, la luz que procede de objetos más distantes del fondo cósmico. Lo cual se traduce en distorsiones en las formas de las galaxias de fondo que aparecen en las imágenes de los astrónomos. A menudo, las lentes gravitacionales también pueden producir múltiples imágenes de una misma galaxia distante.

Evidentemente, cuanta más materia haya en un cúmulo, más dramático será este efecto de desvío de la luz. Y la presencia de aglomerados más pequeños de materia oscura en el interior de los cúmulos de galaxias aumenta aún más el nivel de las distorsiones. En cierto modo, como se ha dicho, el propio cúmulo de galaxias actúa como una lupa a gran escala que tiene muchas otras lupas más pequeñas incrustadas en su interior.

Con las imágenes de las cámaras de los telescopios Hubble y VLT, el equipo de investigadores consiguió producir un preciso y detallado mapa de materia oscura en los cúmulos estudiados. Al medir las distorsiones provocadas por las lentes gravitacionales, en efecto, los astrónomos consiguieron determinar la cantidad y distribución de materia oscura en los tres cúmulos principales: MACS J1206.2-0847, MACS J0416.1-2403 y Abell S1063.

De este modo, y para sorpresa de los científicos, además de las deformaciones esperadas en cada cúmulo producidas por las lentes gravitacionales, también apareció una cantidad inesperada de imágenes distorsionadas de menor escala cerca del núcleo de cada cúmulo, justo donde se encuentran las galaxias individuales más masivas. Los investigadores creen que estas pequeñas lentes «anidadas» son fruto de la gravedad de densas concentraciones de materia dentro de los propios cúmulos galácticos. La medición de la velocidad de las estrellas que orbitan dentro de varias de esas galaxias permitió precisar sus masas.

«Los datos del Hubble y el VLT -asegura Piero Rosati, otro de los miembros del equipo- proporcionaron una sinergia excelente. Pudimos asociar las galaxias con cada cúmulo y estimar sus distancias».

Decenas de galaxias deformadas

Combinando las imágenes de los dos telescopios, los astrónomos pudieron identificar de este modo decenas de galaxias de fondo cuyas imágenes aparecían deformadas o multiplicadas por las lentes. Lo que les permitió ensamblar un mapa de alta resolución de la distribución de materia oscura en el interior de cada cúmulo.

Una vez recopilados estos datos observacionales, los investigadores los compararon con los de simulaciones de distribución de materia oscura en cúmulos de galaxias con masas y distancias similares a las observadas. Y los modelos informáticos no mostraron el mismo nivel de concentración de materia oscura.

Algo falta, pues, en las teorías. Un elemento hoy por hoy desconocido pero que , a la luz de este trabajo, no se ha tenido en cuenta y podría alterar mucho de lo que sabemos, o creemos saber, sobre cómo se comporta y distribuye la materia oscura en el Universo. Los investigadores aseguran que seguirán investigando y profundizando en los resultados de este trabajo. Puede que al final consigan, por fin, revelar la auténtica naturaleza de este misterioso y esencial tipo de materia.

/psg