Una nueva simulación desvela pistas sobre la naturaleza de la materia oscura

El telescopio espacial James Webb (JWST) está mostrando el universo primitivo con un nivel de detalle sin precedentes y descubriendo galaxias jóvenes cuyas formas sorprendentemente alargadas desafían los modelos cosmológicos existentes. Ahora, una nueva investigación liderada por el Donostia International Physics Center (DIPC), con la participación de personal investigador del MIT, de la Universidad de Harvard y de la Universidad de Taipei, y publicada en Nature Astronomy, sugiere que estas curiosas formas pueden ocultar pistas vitales para la comprensión de la naturaleza real de la materia oscura –la sustancia invisible que conforma la mayoría de la masa del universo–. El equipo de investigación ha abierto una nueva puerta al esclarecimiento de cómo surgieron y evolucionaron las primeras galaxias, mediante la comparación de modelos de materia oscura fría, templada y ondulatoria con simulaciones de última generación.

La visión infrarroja sin igual del telescopio espacial James Webb (JWST) de la NASA está revolucionando nuestra manera de entender el universo primigenio. Observaciones recientes han revelado que muchas galaxias jóvenes, formadas menos de mil millones de años después del Big Bang, muestran una forma sorprendentemente alargada, en comparación con las conocidas formas de disco y esferoidales de las galaxias vistas actualmente en nuestras proximidades.

Para comprender estas formas inesperadas, es necesario simular cómo se organizó la materia por primera vez en el cosmos primigenio. Es general el consenso de que el gas primordial se enfrió y condensó en una red de filamentos de materia oscura, y prendió las primeras estrellas y galaxias. Sin embargo, las simulaciones punteras basadas en el marco estándar de materia oscura fría difícilmente reproducen los sorprendentes niveles de elongación observados por el JWST.

Un nuevo estudio liderado por Álvaro Pozo, investigador del Donostia International Physics Center (DIPC) y publicado en Nature Astronomy, extiende esta comparación incluyendo simulaciones basadas en los modelos de materia oscura templada y materia oscura ondulatoria, motivados por neutrinos estériles y por axiones ligeros predichos por la Teoría de Cuerdas. Las simulaciones de materia oscura ondulatoria (WDM) son especialmente desafiantes, puesto que requieren una malla de resolución fina para seguir la interferencia de ondas a escala de de Broglie junto con la hidrodinámica de gas –un ámbito en el que el equipo, que incluye expertos en simulaciones del MIT, de Harvard y de Taipei, es pionero–.

El equipo de autores concluyó que las galaxias jóvenes alargadas se producen en abundancia en los escenarios de materia oscura templada y ondulatoria, fundamentalmente debido a que los filamentos cósmicos tienen una estructura más lisa en estos casos. Los gases y las estrellas fluyen constantemente por estos filamentos, lo cual aumenta las formas galácticas prolatas y alargadas. Esta comparación podrá testarse con las próximas observaciones del JWST –espectroscopia incluida– y con mayores volúmenes de simulaciones, que podrían conducirnos en breve a un nuevo conocimiento sobre la aún desconocida naturaleza de la materia oscura que domina nuestro universo.

En memoria de George F. Smoot

Deseamos dedicar este trabajo a nuestro amigo y mentor George Smoot, cuya sabiduría ha contribuido a este artículo conjunto, que nos dejará un impacto duradero. Falleció poco después de la aceptación de este artículo, sobre el que deseamos subrayar que George fue una de las primeras personas que tomó en serio la interpretación de axiones ligeros. Asimismo, ha inspirado a todas y todos sus compañeros gracias a la extensión y la profundidad de su conocimiento, así como mediante su búsqueda de preguntas fundamentales que abarcan todo el campo. Esto queda patente en su desarrollo de laboratorio de detectores cuánticos para astronomía, así como en sus aplicaciones teóricas de la relatividad general para interpretar eventos de ondas gravitatorias y la naturaleza de la materia oscura.