Cúmulos de galaxias bajo la lupa: determinando la distribución de materia oscura usando lentes gravitacionales

Portada: Cúmulo de Galaxias SMACS 0723, observado en JWST. Fuente: NASA, ESA, CSA, y STScI.

Datos del artículo científico:

• Título: “The galaxy-galaxy strong lensing cross section and the internal distribution of dark matter in LCDM”
• Autores/as: Yarone M. Tokayer, Isaque Dutra, Priyamvada Natarajan, Guillaume Mahler, Mathilde Jauzac, Massimo Meneghetti.
• Fecha de publicación: 25 de Abril del 2024.
• Estado de la publicación: En revisión para el “Astrophysical Journal”, acceso abierto en arXiv.

¿Sabías que la materia oscura en el Universo se agrupa en gigantescas estructuras llamadas halos? Estos halos de materia oscura son esenciales para comprender la formación y evolución de las galaxias. Pero, ¿qué sucede cuando estos halos funcionan como lentes cósmicas, desviando la luz de objetos distantes? Esta fascinante propiedad no solo nos permite observar galaxias lejanas, sino también revelar los misterios sobre la distribución y naturaleza de la materia oscura. En este astrobito, exploraremos por qué algunos descubrimientos recientes están desafiando las teorías actuales.

La materia oscura en cúmulos de galaxias

Como hemos discutido anteriormente, la mayoría de la materia en el Universo es materia oscura, distribuida en forma de halos según el modelo de Materia Oscura Fría (CDM por sus siglas en inglés). Estos halos existen en diferentes escalas de tamaño y masa: los más grandes y masivos suelen contener fuentes de luz como galaxias, mientras que los más pequeños y ligeros tienden a ser completamente oscuros.

Los halos de materia oscura no son estructuras simples (“vacas esféricas“); son conglomerados de pequeños cúmulos de materia oscura. Los halos grandes contienen en su interior halos más pequeños, reflejando un principio fundamental en cosmología: las estructuras del Universo se forman de manera jerárquica. Los elementos pequeños se agrupan y colapsan gravitacionalmente para formar elementos más grandes, que a su vez repiten este proceso con estructuras de tamaño similar. 

Por ejemplo, un cúmulo de galaxias es una gran estructura formada por varios halos de materia oscura, cada uno posiblemente asociado con una galaxia. Estos halos se atraen gravitacionalmente, creando una red compleja donde la materia oscura actúa como un “pegamento” invisible que sostiene la formación y evolución de las galaxias. En este entorno, las galaxias interactúan, fusionándose y formando nuevas estrellas, lo que altera la estructura del cúmulo con el tiempo. La materia oscura en forma de halos es crucial para entender la dinámica y estabilidad de estos sistemas.

Lentes gravitacionales: balanzas y lupas cósmicas

Una lente gravitacional es un fenómeno en el que la gravedad de un objeto masivo, como una galaxia o un cúmulo de galaxias, curva y enfoca la luz que pasa cerca de él, de una manera similar a cómo unas gafas curvan y enfocan la luz. Esto ocurre debido a que la masa del objeto crea una especie de “pozo” en el tejido del espacio-tiempo, haciendo que los rayos de luz cambien de dirección.

Cuando miramos a través de esta “lente” cósmica, los objetos distantes que se encuentran detrás del objeto masivo pueden parecer distorsionados, ampliados o multiplicados. Este efecto no solo nos ayuda a ver cosas que están muy lejos, sino que también nos da pistas sobre la cantidad y distribución de la materia, particularmente la materia oscura, la cual no podemos ver directamente.

Cuando la luz de un objeto distante, como una galaxia, una estrella o un planeta, pasa a través de este campo gravitacional, su trayectoria se curva y el objeto puede aparecer distorsionado y magnificado para un observador en la Tierra. Este efecto no solo permite observar objetos que de otro modo serían demasiado tenues o lejanos para ser detectados, sino que también nos permite determinar la masa del lente.

Los halos de materia oscura son especialmente eficaces como lentes gravitacionales. Aunque no emiten luz, su gran masa genera potentes campos gravitacionales capaces de desviar significativamente la luz de objetos situados detrás de ellos (Figura 1). Cuando un halo grande (por ejemplo, un cúmulo de galaxias) actúa como lente gravitacional, podemos utilizar esa desviación para inferir la estructura interna de dicho halo, es decir, cuántos halos más pequeños lo componen y cómo están distribuidos. Esto es importante porque diferentes teorías sobre la naturaleza de la materia oscura predicen distintas distribuciones de halos de baja masa.

Un pequeño problema de proporciones galácticas

Existen muchas formas de intentar inferir la distribución de halos de baja masa en cúmulos de galaxias: desde intentar contar el número de halos (lo cual es muy difícil, ya que son invisibles) hasta intentar observar su movimiento dentro del cúmulo. En un estudio anterior realizado años atrás por uno de los autores del artículo original, se propone un nuevo indicador: la probabilidad de que un halo de baja masa desvíe fuertemente la luz de una galaxia (GGSL por sus siglas en inglés). Una probabilidad alta nos indica que los halos de baja masa están muy concentrados en el sistema, mientras que una probabilidad baja significa que están dispersos. En dicho estudio, se observa que existe una discrepancia entre el número de GGSLs observados en ciertos cúmulos de galaxias y los predichos por uno de los perfiles consistentes con el modelo CDM, indicando que los halos de baja masa están más concentrados de lo esperado.

En el artículo original, el equipo se propone revisar los resultados del estudio anterior, esta vez con un catálogo de cúmulos más amplio, simulaciones que incluyen los efectos de la materia bariónica en la dinámica galáctica y con un nuevo programa de análisis de lentes gravitacionales. Adicionalmente, estudian diferentes distribuciones de materia oscura que están permitidas dentro del paradigma CDM. Los resultados del estudio son alarmantes para el modelo estándar: no importa cómo se analicen los datos, la discrepancia reportada originalmente sigue ahí.

Por sí solo, este descubrimiento tendría un impacto moderado en la comunidad científica. Al fin de cuentas, el modelo CDM es extremadamente exitoso explicando una gran variedad de fenómenos en múltiples escalas en el Universo. Sin embargo, esta anomalía ahora forma parte de una multitud de problemas para el modelo CDM en escalas más pequeñas: la predicción de una gran cantidad de pequeños halos de baja masa, que deberían manifestarse como galaxias satélite alrededor de galaxias más grandes, no coincide con el número menor observado. Además, la forma densa y cuspidada de los perfiles de densidad interna de los halos, predicha por CDM, no se ajusta a las observaciones de galaxias enanas, que muestran perfiles más aplanados.

¿Es este el principio del fin de CDM? La verdad es que actualmente no hay suficientes datos para afirmarlo con certeza. Lo que este estudio nos reporta es que quizás es necesario empezar a entretener la idea de modelos alternativos de materia oscura que expliquen de mejor manera las escalas pequeñas, manteniendo la efectividad del CDM para grandes escalas. En cualquier caso, ¡hay que estar atentos a futuros descubrimientos!