Enredados entre las galaxias en esta imagen del Hubble hay arcos de luz azul de aspecto misterioso. En realidad, se trata de imágenes distorsionadas de galaxias remotas detrás del cúmulo. La gravedad colectiva de toda la materia normal y oscura atrapada dentro del cúmulo deforma el espacio-tiempo y afecta la luz que viaja a través del cúmulo hacia la Tierra. Crédito:NASA, ESA, y J. Lotz y el equipo de HFF (STScI)
La verdadera naturaleza de la materia oscura es uno de los mayores misterios del universo. Los científicos están tratando de determinar de qué está hecha exactamente la materia oscura para poder detectarla directamente. pero nuestro conocimiento actual tiene muchas lagunas, es difícil saber qué estamos buscando. La capacidad de WFIRST para estudiar amplias franjas del universo nos ayudará a descubrir de qué podría estar hecha la materia oscura al explorar la estructura y distribución de la materia y la materia oscura en el espacio y el tiempo.
¿Por qué la materia oscura es un tema tan desconcertante? Los científicos sospecharon por primera vez su existencia hace más de 80 años cuando el astrónomo suizo-estadounidense Fritz Zwicky observó que las galaxias en el cúmulo de Coma se movían tan rápido que deberían haber sido arrojadas al espacio; sin embargo, permanecieron unidas gravitacionalmente al cúmulo por materia invisible. Luego, en la década de 1970, La astrónoma estadounidense Vera Rubin descubrió el mismo tipo de problema en galaxias espirales individuales. Las estrellas hacia el borde de la galaxia se mueven demasiado rápido para ser retenidas por la materia luminosa de la galaxia; debe haber mucha más materia de la que podemos ver en estas galaxias para mantener las estrellas en órbita. Desde estos descubrimientos, Los científicos han estado tratando de armar el rompecabezas utilizando pistas escasas.
Actualmente existe una amplia gama de candidatos a materia oscura. Ni siquiera tenemos una idea muy clara de cuál podría ser la masa de partículas de materia oscura, lo que dificulta encontrar la mejor forma de buscarlos. Los estudios de campo amplio de WFIRST proporcionarán una visión completa de la distribución de galaxias y cúmulos de galaxias en todo el universo en los estudios de materia oscura más detallados jamás realizados. gracias a los efectos gravitacionales de la materia oscura. Estos estudios proporcionarán nuevos conocimientos sobre la naturaleza fundamental de la materia oscura, lo que permitirá a los científicos perfeccionar sus técnicas de búsqueda.
La mayoría de las teorías sobre la naturaleza de las partículas de materia oscura sugieren que casi nunca interactúan con la materia normal. Incluso si alguien deja caer un gran trozo de materia oscura en tu cabeza, probablemente no percibirías nada. No tendrías ningún medio para detectar su presencia, todos tus sentidos son discutibles cuando se trata de materia oscura. Ni siquiera evitarías que se precipitara directamente a través de tu cuerpo y hacia el núcleo de la Tierra.
Esto no le pasa a la materia normal, como gatos o personas, porque las fuerzas entre los átomos del suelo y los átomos de nuestro cuerpo impiden que caigamos a través de la superficie de la Tierra, pero la materia oscura se comporta de manera extraña. La materia oscura es tan discreta que incluso es invisible para los telescopios que observan el cosmos en formas de luz que nuestros ojos no pueden ver. desde ondas de radio hasta rayos gamma de alta energía.
Este mosaico del Telescopio Espacial Hubble muestra una parte del inmenso cúmulo de galaxias Coma, que contiene más de 1, 000 galaxias, ubicadas a 300 millones de años luz de distancia. El rápido movimiento de sus galaxias fue la primera pista de que existía materia oscura. Crédito:NASA, ESA, J. Mack (STScI) y J. Madrid (Instalación Nacional del Telescopio Australiano
"Lente" de materia oscura
Si la materia oscura es invisible, ¿cómo sabemos que existe? Si bien la materia oscura no interactúa con la materia normal en la mayoría de los casos, lo afecta gravitacionalmente (que es como se descubrió por primera vez hace décadas), para que podamos mapear su presencia observando cúmulos de galaxias, las estructuras más masivas del universo.
La luz siempre viaja en línea recta, pero el espacio-tiempo —el tejido del universo— está curvado por concentraciones de masa en su interior. Entonces, cuando la luz pasa por una masa, su trayectoria también se curva:una línea recta en un espacio curvo. La luz que normalmente pasaría cerca de un cúmulo de galaxias se inclina hacia y alrededor de él, producir imágenes intensificadas, ya veces múltiples, de la fuente de fondo. Este proceso, llamado lente gravitacional fuerte, transforma los cúmulos de galaxias en colosales telescopios naturales que nos permiten vislumbrar objetos cósmicos distantes que normalmente serían demasiado débiles para ser visibles.
Dado que más materia conduce a efectos de lente más fuertes, Las observaciones de lentes gravitacionales proporcionan una forma de determinar la ubicación y la cantidad de materia en los cúmulos de galaxias. Los científicos han descubierto que toda la materia visible que vemos en los cúmulos de galaxias no es suficiente para crear los efectos de deformación observados. La materia oscura proporciona el excedente de gravedad.
Los científicos han confirmado observaciones anteriores midiendo cuánta materia en el universo primitivo es "normal" y cuánta es "oscura" utilizando experimentos como la sonda de anisotropía de microondas Wilkinson (WMAP) de la NASA. Aunque la materia normal constituye todo lo que podemos ver, el universo debe contener más de cinco veces más materia oscura para ajustarse a las observaciones.
WFIRST se basará en estudios previos de materia oscura mediante el uso de las llamadas lentes gravitacionales débiles que rastrea cómo grupos más pequeños de materia oscura deforman las formas aparentes de galaxias más distantes. La observación de los efectos de las lentes en esta escala más refinada permitirá a los científicos llenar más lagunas en nuestra comprensión de la materia oscura.
La misión medirá las ubicaciones y cantidades tanto de materia normal como de materia oscura en cientos de millones de galaxias. A lo largo de la historia cósmica, la materia oscura ha impulsado cómo se formaron y evolucionaron las estrellas y las galaxias. Si la materia oscura se compone de pesados, partículas lentas, se agruparían fácilmente y WFIRST debería ver la formación de galaxias al principio de la historia cósmica. Si la materia oscura se compone de más ligero, partículas que se mueven más rápido, debería llevar más tiempo asentarse en grupos y desarrollar estructuras a gran escala.
Los estudios de lentes gravitacionales de WFIRST nos permitirán mirar hacia atrás en el tiempo para rastrear cómo se formaron las galaxias y los cúmulos de galaxias bajo la influencia de la materia oscura. Si los astrónomos pueden delimitar los candidatos para partículas de materia oscura, estaremos un paso más cerca de finalmente detectarlos directamente en experimentos en la Tierra.
