Simulan gemelos de la Vía Láctea en busca de la materia oscura

Simulaciones por supercomputadora han producido imágenes gemelas de la Vía Láctea, para encontrar respuestas sobre uno de los mayores misterios del universo: la materia oscura.

Se trata de la sustancia invisible que constituye aproximadamente el 85 % de toda la materia existente, y que solo ha podido ser inferida por el efecto de la gravedad.

La investigación fue dirigida por la cosmóloga Vera Gluscevic, de la USC (Universidad de Southern California); así como por Ethan Nadler, ex investigador postdoctoral en la USC y los Observatorios Carnegie, quien ahora es profesor adjunto en la Universidad de California en San Diego; y Andrew Benson, científico de planta de los Observatorios Carnegie.

Denominaron a su proyecto de simulación "COZMIC", abreviatura de "Simulaciones Cosmológicas de Ampliación con Condiciones Iniciales más allá de la Materia Oscura Fría".

Los científicos saben desde hace décadas que existe la materia oscura, pero hasta ahora no habían podido estudiar cómo nacen y evolucionan las galaxias en un universo donde interactúan la materia oscura y la materia normal. COZMIC lo ha hecho posible, afirmó el equipo.

El desarrollo de COZMIC y los resultados del equipo se describen en tres estudios publicados en The Astrophysical Journal.

EL NÚCLEO DE LA MATERIA OSCURA

Los científicos saben que la materia oscura es real porque afecta el movimiento y la unión de las galaxias. Por ejemplo, las galaxias giran tan rápido que deberían separarse, pero no lo hacen. Algo invisible las mantiene unidas; muchos científicos creen que la materia oscura es la clave de este fenómeno, una idea sugerida por primera vez en 1933 por el investigador suizo Fritz Zwicky. La investigación sobre la materia oscura ha evolucionado desde entonces.

El estudio de la materia oscura es complejo porque no emite luz ni energía fácilmente detectable. Los científicos estudian la materia oscura observando cómo afecta a movimientos y estructuras como las galaxias. Sin embargo, esto es como estudiar la sombra de alguien sin poder examinar en detalle a la persona que la proyecta.

Para este conjunto de estudios, el equipo de investigación implementó nueva física -no solo la física de partículas estándar y la relatividad- y programó una supercomputadora para crear simulaciones cosmológicas muy detalladas a través de COZMIC y así probar diferentes ideas sobre la posible función de la materia oscura.

"Queremos medir las masas y otras propiedades cuánticas de estas partículas, y cómo interactúan con todo lo demás", afirmó Gluscevic en un comunicado. "Con COZMIC, por primera vez, podemos simular galaxias como la nuestra bajo leyes físicas radicalmente diferentes y contrastarlas con observaciones astronómicas reales".

Además de Gluscevic, Nadler y Benson, el equipo detrás de COZMIC incluye a Hai-Bo Yu, de la UC Riverside; Daneng Yang, anteriormente de la UC Riverside y ahora del Observatorio Purple Mountain de la Academia de Ciencias de California (CAS); Xiaolong Du, de la UCLA; y Rui An, ex miembro de la USC.

VARIOS ESCENARIOS DE MATERIA OSCURA

"Nuestras simulaciones revelan que las observaciones de las galaxias más pequeñas pueden utilizarse para distinguir modelos de materia oscura", afirmó Nadler.

Para los estudios con COZMIC, los científicos consideraron los siguientes escenarios de comportamiento de la materia oscura:

- Modelo de bola de billar: En este primer estudio, cada partícula de materia oscura colisiona con protones en las primeras etapas del universo, de forma similar a como lo hacen las bolas de billar al ponerse en movimiento. Esta interacción suaviza las estructuras a pequeña escala y elimina las galaxias satélite en la Vía Láctea. El estudio también incluye escenarios donde la materia oscura se mueve a altas velocidades y otros donde está compuesta por partículas de masa extremadamente baja.

- Modelo de sector mixto: Este segundo estudio es un escenario híbrido en el que algunas partículas de materia oscura interactúan con la materia normal, pero otras la atraviesan.

- Modelo de autointeracción: Para este tercer estudio, los científicos simularon un escenario en el que la materia oscura interactúa consigo misma tanto en los albores de los tiempos como en la actualidad, modificando la formación de galaxias a lo largo de la historia cósmica. Mientras ejecutaban estas simulaciones, los científicos introdujeron nueva física en la supercomputadora para producir una galaxia cuya estructura muestra las características de esas interacciones entre la materia normal y la oscura, explicó Benson.

Gluscevic añadió: "Si bien muchas simulaciones previas han explorado los efectos de la masa de la materia oscura o las autointeracciones, hasta ahora ninguna ha simulado interacciones de la materia oscura con la materia normal. Dichas interacciones no son exóticas ni inverosímiles. De hecho, es probable que existan".