NeoFronteras

Sobreimpresionada y en color violáceo sobre un cúmulo de galaxias aparece la distribución deducida de materia oscura. Foto: Johns Hopkins University. Ampliar.

Un grupo de científicos consigue visualizar la estructura a gran escala de la materia oscura del Universo utilizando el efecto lente gravitatoria.
Cuando se mide la cantidad de materia ordinaria que hay en una galaxia se comprueba que es mucho menor que la cantidad de masa total que podemos medir mediante la observación que su efecto gravitacional tiene sobre la dinámica de la galaxia. Como la materia ordinaria se mide observando la materia que emite o absorbe luz, o en otras palabras, midiendo la materia que forma estrellas o que forma de nubes de gas y polvo, entonces en contraposición la materia oscura es la que no vemos. Este hecho se puede ver también en la dinámica de cúmulos de galaxia y en las lentes gravitatorias galácticas. Además, para que funcionen los modelos cosmológicos de evolución del Universo hace falta que exista ese tipo de materia que no se ve, pero que tiene un efecto gravitatorio. Es lo que se ha llamado materia oscura. Según los últimos cálculos el 5% del Universo es materia ordinaria el 25% materia oscura y el 70% energía oscura.
Los adelantos en el uso de grandes computadoras permiten a los científicos simular modelos de Universos en un ordenador. De ese modo se ve como la materia se condensa formando estrellas y galaxias. Éstas se agrupan en cúmulos que forman filamentos o muros que rodean a inmensos espacios vacíos.

Simulación de la “red cósmica” de materia oscura suministrada por un modelo cosmológico.

Según los modelos cosmológicos hay una red o malla de materia oscura que sostiene la estructura a gran escala del Universo. Sobre esa red descansa la materia ordinaria que podemos ver, que representa un pequeño porcentaje del total. Si deseamos comprobar si nuestros modelos son correctos debemos de compararlos con la realidad (es el método científico). Hemos empezado a levantar mapas de estructura a gran escala del Universo, al menos en lo que a materia ordinaria se refiere. Lo malo es que no podemos comparar la parte de materia oscura, que además representa un gran porcentaje, porque por definición es invisible.
Ahora unos investigadores del grupo ACS de Johns Hopkins University y del Space Telescope Science Institute ha conseguido visualizar la estructura a gran escala de la materia oscura usando datos procedentes del telescopio espacial Hubble en lo que podrían ser los primeros mapas de materia oscura. Sus resultados aparecen publicados este mes en Astrophysical Journal.
Según estos investigadores se puede ver el efecto que esta materia produce sobre la luz procedente de las imágenes de galaxias del fondo. Si observamos el Universo a través de un cúmulo de materia podemos aprovecharnos de su efecto de lente gravitatoria.
Según la relatividad general todo cuerpo masivo curva el espacio a su alrededor y todo objeto embebido en ese espacio, incluida la luz se ve obligado a obedecer a esa geometría no plana. Este efecto es muy difícil de medir en objetos como el sol porque su campo gravitatorio no es muy intenso. Pero auque el efecto sea debil y el sol muy brillante durante los eclipses podemos ver como la posición aparente de las estrellas cerca del disco solar cambia por este efecto.
Las galaxias son objetos mucho más masivos y algunas veces otros objetos muy distantes se encuentran lejos de ellas formando una alineación perfecta o casi respecto a nosotros. En condiciones normales esos objetos serían invisibles, pero debido a este efecto vemos un anillo u otro tipo de objetos satélites (anillos de Einstein, cruces de Einstein, etc) que son las imágenes muy distorsionadas de esos objetos. De este modo la galaxia más cercana actúa como un telescopio gigantesco, acercándonos imágenes de las galaxias y quasares más remotos y primitivos. Otro tipo de masas interpuesta entre nosotros y un objeto distante como una galaxia debería de producir un efecto parecido, incluida la materia oscura.
La ventaja de estudiar este fenómeno es que brindan a los astrónomos una manera directa de medir la materia oscura, que se revela por su efecto gravitatorio aunque la materia en sí sea normalmente invisible.
De este modo si tenemos la imagen de un cúmulo que cuenta con cientos de galaxias repartidas uniformemente, muchas de ellas, aunque sea débilmente, tendrán su imagen distorsionada debido al defecto de lentes gravitatoria producido por la materia oscura. Entonces podemos procesar esas imágenes usando un programa especial y un buen ordenador para poder inferir qué distribución de materia oscura produciría ese conjunto de efectos de lente gravitatoria. El programa propone cambios en esa distribución de materia oscura hasta que la computadora encuentra un resultado sobre la materia visible parecido al que se observa.
Esto es precisamente lo que el equipo de de JHU-STSI ha hecho, consiguiendo los primeros mapas detallados de materia oscura. Materia oscura que no podemos ver en el cielo pero sí en la pantalla del ordenador. De momento han aplicado esta técnica a dos regiones del cielo donde hay sendos cúmulos que cuentan con unas 400 galaxias cada uno. Han podido comprobar que los cúmulos de galaxias están localizados en las regiones más densas de los halos de materia oscura.
Se supone que estas concentraciones de materia oscura atraen a la materia ordinaria mediante su campo gravitatorio y forman las estructuras que podemos ver.
Está técnica sólo se puede usar de momento con imágenes procedentes del telescopio espacial Hubble, porque las turbulencias atmosféricas son demasiado fuertes como para que los telescopios ubicados en tierra puedan desvelar los sutiles efectos de las lentes gravitatorias.
Concretamente, la cámara ACS (Advanced Camera for Surveys) instalada hace tres años en el Hubble incrementó la calidad de este tipo de imágenes en un factor 10.
A pesar de todo, la naturaleza de la materia oscura es uno de los problemas más difíciles de la Astrofísica moderna, no sabemos su composición o de qué está constituida. Estos estudios no proponen una naturaleza para esta materia, sólo hablan de su distribución, pero este dato es muy importante en Cosmología y además nos puede dar alguna pista sobre la naturaleza de dicha materia.
Las acumulaciones de materia oscura que se visualizan con esta técnica son consistentes con los modelos en los que las “partículas” de materia oscura no colisionan. A diferencia de las partículas de materia ordinaria que colisionan o se dispersan como lo harían las bolar de billar al chocar las unas con las otras, las “partículas” de materia oscura parecen no hacerlo y simplemente pasan unas a través de las otras sin interaccionar. Por tanto son “partículas” que interaccionan débilmente, pero de naturaleza desconocida.
Si las “partículas” o “constituyentes” de la materia oscura interaccionasen se observaría una distribución de materia oscura en las imágenes de ACS mucho más suaves, sin los grumos o granos que se ven.
Parece ser que ahora contamos con una buena manera de hacer visible lo invisible y poder saber más sobre el origen y evolución del Universo.

Agradecimientos:
La dirección de NeoFronteras quiere agradecer a Johns Hopkins University y en especial a Lisa De Nike por el envio a esta Web de las imágenes de alta resolución que se han usado para la cofección de este artículo.

Referencias:
Johns Hopkins University
Estructura a gran escala del Universo
Sobre la materia oscura en NeoFronteras.