Los astrónomos han utilizado datos del Observatorio de rayos X Chandra de la NASA para estudiar las propiedades de la materia oscura, El misterioso, Sustancia invisible que constituye la mayor parte de la materia del universo. El estudio, que involucra 13 cúmulos de galaxias, explora la posibilidad de que la materia oscura sea más "borrosa" que "fría, "quizás incluso aumentando la complejidad que rodea a este acertijo cósmico.

Durante varias décadas, los astrónomos han sabido sobre la materia oscura. Aunque no se puede observar directamente, la materia oscura interactúa a través de la gravedad con normal, irradia materia (es decir, cualquier cosa hecha de protones, neutrones y electrones agrupados en átomos). Aprovechando esta interacción, Los astrónomos han estudiado los efectos de la materia oscura utilizando una variedad de técnicas, incluidas las observaciones del movimiento de las estrellas en las galaxias, el movimiento de las galaxias en cúmulos de galaxias, y la distribución de gas caliente emisor de rayos X en cúmulos de galaxias. La materia oscura también ha dejado una huella en la radiación que quedó del Big Bang hace 13.800 millones de años.

Sin embargo, Los astrónomos han estado luchando durante décadas para comprender las propiedades detalladas de la materia oscura. En otras palabras, les gustaría saber cómo se comporta la materia oscura en todos los entornos, y, por último, de qué está hecho.

El modelo más popular asume que la materia oscura es una partícula más masiva que un protón que está "fría", lo que significa que se mueve a velocidades mucho menores que la velocidad de la luz. Este modelo ha tenido éxito en explicar la estructura del universo a escalas muy grandes, mucho más grande que las galaxias, pero tiene problemas para explicar cómo se distribuye la materia en las escalas más pequeñas de las galaxias.

Por ejemplo, el modelo de materia oscura fría predice que la densidad de materia oscura en el centro de las galaxias es mucho mayor que en las regiones circundantes cercanas al centro. Debido a que la materia normal se siente atraída por la materia oscura, también debería tener un fuerte pico de densidad en el centro de las galaxias. Sin embargo, Los astrónomos observan que la densidad de la materia normal y oscura en el centro de las galaxias se distribuye mucho más uniformemente. Otro problema con el modelo de materia oscura fría es que predice un número mucho mayor de pequeñas galaxias orbitando alrededor de galaxias como la Vía Láctea de lo que los astrónomos realmente ven.

Para abordar estos problemas con el modelo de materia oscura fría, Los astrónomos han ideado modelos alternativos en los que la materia oscura tiene propiedades muy diferentes. Uno de esos modelos aprovecha el principio de la mecánica cuántica de que cada partícula subatómica tiene una onda asociada. Si la partícula de materia oscura tiene una masa extremadamente pequeña, alrededor de diez mil billones de billones de veces más pequeño que la masa de un electrón, su longitud de onda correspondiente será de aproximadamente 3, 000 años luz. Esta distancia de un pico de onda a otro es aproximadamente un octavo de la distancia entre la Tierra y el centro de la Vía Láctea. Por el contrario, la longitud de onda de luz más larga, una onda de radio, tiene solo unas pocas millas de largo.

Las ondas de diferentes partículas en estas grandes escalas pueden superponerse e interferir entre sí como las ondas en un estanque, actuando como un sistema cuántico en escalas galácticas en lugar de atómicas.

La gran longitud de onda de la onda de las partículas significa que la densidad de la materia oscura en el centro de las galaxias no puede alcanzar su punto máximo. Por lo tanto, para un observador fuera de una galaxia, estas partículas parecerían borrosas si pudieran detectarse directamente, por lo que este modelo se ha denominado "materia oscura difusa". Debido a que la materia normal es atraída por la materia oscura, también se esparcirá a gran escala. Esto explicaría naturalmente la falta de un pico fuerte en la densidad de la materia en el centro de las galaxias.

Este sencillo modelo ha tenido éxito en explicar la cantidad y la ubicación de la materia oscura en las galaxias pequeñas. Para galaxias más grandes, Se ha necesitado un modelo más complicado de materia oscura difusa. En este modelo, concentraciones masivas de materia oscura pueden conducir a múltiples estados cuánticos (llamados "estados excitados"), en el que las partículas de materia oscura pueden tener diferentes cantidades de energía, similar a un átomo con electrones en órbitas de mayor energía. Estos estados excitados cambian la forma en que varía la densidad de la materia oscura con la distancia desde el centro del cúmulo de galaxias.

En un nuevo estudio, un equipo de científicos utilizó las observaciones de Chandra del gas caliente en 13 cúmulos de galaxias para ver si el modelo difuso de materia oscura funciona a escalas mayores que el de las galaxias. Utilizaron los datos de Chandra para estimar tanto la cantidad de materia oscura en cada cúmulo como la forma en que la densidad de esta materia varía con la distancia desde el centro del cúmulo de galaxias.

El gráfico muestra cuatro de los 13 cúmulos de galaxias utilizados en el estudio. Los grupos son, comenzando en la parte superior izquierda y yendo en el sentido de las agujas del reloj, Abell 262, Abell 383, Abell 1413, y Abell 2390. En cada una de estas imágenes, Los datos de rayos X de Chandra son de color rosa, mientras que los datos ópticos son rojos, verde, y azul.

Al igual que con los estudios de galaxias, el modelo más simple de materia oscura difusa, donde todas las partículas tienen la menor energía posible, no concuerda con los datos. Sin embargo, descubrieron que el modelo en el que las partículas tenían diferentes cantidades de energía (los "estados excitados) coincidían bien con los datos. De hecho, el modelo de materia oscura difusa puede coincidir con las observaciones de estos 13 cúmulos de galaxias tan bien o incluso mejor que un modelo basado en materia oscura fría.

Este resultado muestra que el modelo de materia oscura difusa puede ser una alternativa viable a la materia oscura fría, pero se necesita más trabajo para probar esta posibilidad. Un efecto importante de los estados excitados es producir ondas, u oscilaciones, en la densidad de la materia oscura en función de la distancia desde el centro del cúmulo. Esto produciría ondas en la densidad de la materia normal. La magnitud esperada de estas ondas es menor que las incertidumbres actuales en los datos. Se necesita un estudio más detallado para probar esta predicción del modelo.

Recientemente se aceptó un artículo que describe estos resultados para su publicación en el Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society y está disponible en línea. Los autores son Tula Bernal (Instituto Politécnico Nacional, Ciudad de México), Victor Robles (Universidad de California, Irvine), y Tonatiuh Matos (Instituto Politécnico Nacional).