Es imposible que un telescopio obtenga imágenes y está lejos de comprenderse completamente, sin embargo, la materia oscura está en todas partes.
Los misterios más profundos sobre la materia oscura se relacionan con su naturaleza y comportamiento. La idea predominante sobre la materia oscura es la teoría de la materia oscura fría (CDM), que postula que la materia oscura está formada por partículas de baja velocidad que no interactúan entre sí. Este pensamiento ha sido debatido y está nuevamente sujeto a debate. Dirigido por el astrofísico Hai-Bo Yu, un equipo de investigadores de la Universidad de California en Riverside ha ideado una idea alternativa que explica dos extremos en los que la materia oscura fría no funciona bien.
Se cree que las galaxias y los cúmulos de galaxias están rodeados por halos de materia oscura. En un extremo de la controversia están los halos galácticos de materia oscura que son demasiado densos para ser consistentes con el CDM, y en el otro están los halos galácticos de materia oscura demasiado difusos para que el CDM tenga sentido. En cambio, Yu y sus colegas sugieren que alguna fuerza oscura (lo siento, fanáticos de Star Wars, no el Fuerza) hace que las partículas de materia oscura choquen entre sí. Esta es la Materia Oscura Autointeractúa (SIDM).
La idea de partículas invisibles que interactúan, ya sea empujándose unas a otras más lejos y hacia afuera en un halo difuso, o acercándose entre sí y hacia adentro en uno denso, puede ser lo que buscábamos en la oscuridad. Pero primero, ¿por qué se piensa abrumadoramente que la materia oscura es fría?
Perdido en la oscuridad
La materia oscura es «oscura» porque sus interacciones con la materia visible y la radiación electromagnética son débiles o inexistentes. Ninguna luz puede iluminarlo debido a su incapacidad de tener interacciones significativas con cualquier tipo de radiación electromagnética. La razón por la que se dice que la materia oscura es “fría”, al menos según la teoría de la materia oscura fría, es porque se cree que las partículas lentas se mueven mucho más lentamente que la velocidad de la luz.
CDM sigue siendo el modelo estándar para la materia oscura porque sirve para construir y mantener estructuras cósmicas como las galaxias. Si la materia oscura es fría, entonces puede agruparse y agregarse más fácilmente que si estuviera atravesando el vacío del espacio, lo que sería si toda la materia oscura fuera «caliente» o estuviera formada por partículas más ligeras que viajaran a altas velocidades. Las partículas calientes de materia oscura serían demasiado rápidas para formar estructuras durante largos períodos y aplanarían cualquier estructura existente con la que chocaran. La materia oscura cálida se encuentra en algún punto entre frío y calor.
Se desconoce cuántos tipos de materia oscura existen. Algunos científicos insisten en que toda la materia oscura es fría, mientras que otros sostienen que existe más de un tipo.
Si bien el CDM no dice que esta materia invisible esté totalmente inmóvil, no permite que colisionen muchas partículas de materia oscura. Aquí es donde entra en juego SIDM.
Arrojando más luz
Si bien la materia oscura caliente y cálida estaba fuera del alcance de su estudio, Yu y su equipo probaron si SIDM podía explicar un aspecto de la materia oscura fría que realmente no funciona: lucha por explicar halos de materia oscura extremadamente densos y extremadamente difusos.
«En el [diffuse scenario], las interacciones transportan calor desde las regiones exteriores hacia las interiores del halo, lo que reduce la densidad central; en el [dense scenario]la dirección del flujo de calor se invierte y el halo interior se vuelve más denso que su contraparte CDM”, dijeron en un estudio publicado recientemente en The Astrophysical Journal Letters.
Las galaxias ultradifusas (UDG) son galaxias enanas que son especialmente oscuras porque sus estrellas están dispersas muy lejos unas de otras. El gas de formación estelar está demasiado esparcido como para producir muchas estrellas nuevas. El halo de materia oscura de una galaxia ultradifusa llega mucho más lejos que el de una galaxia enana normal, lo que no debería suceder con las partículas sin colisiones propuestas por CDM: las partículas que no interactúan estarían más juntas y producirían un halo más denso con un alcance más corto. SIDM permite que las partículas colisionen y transfieran calor, y la expansión de materia oscura resultante puede explicar por qué estos halos son tan difusos.
El segundo escenario trata con halos de materia oscura tan densos que impactan las lentes gravitacionales. Estos densos halos tienen suficiente materia oscura para doblar el espacio-tiempo, de modo que la luz que viaja a través de esa región del espacio también se dobla. Debido a estas perturbaciones, un objeto detrás de la galaxia lente se magnifica, aunque a menudo de forma algo deformada. SIDM también admite concentraciones de materia oscura suficientes para afectar las lentes gravitacionales porque las partículas en colisión deberían poder ingresar hacia adentro tal como lo hacen hacia afuera. Las partículas que chocan entre sí aumentan la densidad del halo, y una horda de ellas puede formar una enorme masa de materia oscura que produce lentes gravitacionales.
Todavía estamos a oscuras sobre la materia oscura en muchos sentidos. Hasta que haya una manera de detectarlo directamente, tenemos que confiar en el trabajo teórico para descubrir si ideas como SIDM podrían tener algo que ver. Quizás algún día tengamos un método de detección directa que finalmente saque a la luz los misterios de la materia oscura.
Cartas de revistas astrofísicas, 2023. DOI: 10.3847/2041-8213/ad0e09