La materia oscura fue probablemente el ingrediente inicial para la elaboración de las primeras galaxias del universo. Poco después del Big Bang, partículas de materia oscura se habrían agrupado en "halos gravitacionales, "arrastrando el gas circundante hacia sus núcleos, que con el tiempo se enfrió y condensó en las primeras galaxias.

Aunque la materia oscura se considera la columna vertebral de la estructura del universo, los científicos saben muy poco sobre su naturaleza, ya que las partículas han eludido hasta ahora la detección.

Ahora los científicos del MIT, Universidad de Princeton, y la Universidad de Cambridge han descubierto que el universo temprano, y las primeras galaxias, se habría visto muy diferente dependiendo de la naturaleza de la materia oscura. Por primera vez, el equipo ha simulado cómo se habría visto la formación de galaxias tempranas si la materia oscura fuera "borrosa, "en lugar de frío o tibio.

En el escenario más ampliamente aceptado, la materia oscura es fría, compuesto por partículas de movimiento lento que, aparte de los efectos gravitacionales, no tienen interacción con la materia ordinaria. Se cree que la materia oscura cálida es una versión ligeramente más ligera y rápida de la materia oscura fría. Y materia oscura borrosa un concepto relativamente nuevo, es algo completamente diferente, compuesto por partículas ultraligeras, cada uno alrededor de 1 octillonésimo (10 ^-27 ) la masa de un electrón (una partícula de materia oscura fría es mucho más pesada, unas 105 veces más masiva que un electrón).

En sus simulaciones, los investigadores encontraron que si la materia oscura está fría, entonces las galaxias del universo primitivo se habrían formado en halos casi esféricos. Pero si la naturaleza de la materia oscura es borrosa o cálida, el universo primitivo se habría visto muy diferente, con galaxias formándose primero en extensión, filamentos en forma de cola. En un universo borroso estos filamentos habrían aparecido estriados, como las cuerdas de un arpa iluminadas por las estrellas.

A medida que se conectan nuevos telescopios, con la capacidad de ver más atrás en el universo temprano, los científicos pueden deducir, del patrón de formación de galaxias, si la naturaleza de la materia oscura, que hoy constituye casi el 85 por ciento de la materia del universo, es difuso en lugar de frío o cálido.

"Las primeras galaxias del universo temprano pueden iluminar el tipo de materia oscura que tenemos hoy, "dice Mark Vogelsberger, profesor asociado de física en el Instituto Kavli de Astrofísica e Investigación Espacial del MIT. "O vemos este patrón de filamentos, y la materia oscura difusa es plausible, o no lo hacemos, y podemos descartar ese modelo. Ahora tenemos un plan de cómo hacer esto ".

Vogelsberger es coautor de un artículo que aparece en Cartas de revisión física , junto con el autor principal del artículo, Philip Mocz de la Universidad de Princeton, y Anastasia Fialkov de la Universidad de Cambridge y anteriormente de la Universidad de Sussex.

Ondas difusas

Si bien la materia oscura aún no se ha detectado directamente, la hipótesis que describe la materia oscura como fría ha demostrado ser exitosa para describir la estructura a gran escala del universo observable. Como resultado, Los modelos de formación de galaxias se basan en la suposición de que la materia oscura es fría.

"El problema es, hay algunas discrepancias entre las observaciones y las predicciones de la materia oscura fría, ", Señala Vogelsberger". Por ejemplo, si miras galaxias muy pequeñas, la distribución inferida de materia oscura dentro de estas galaxias no concuerda perfectamente con lo que predicen los modelos teóricos. Así que hay tensión ahí ".

Ingresar, luego, teorías alternativas para la materia oscura, incluyendo caliente, y borroso, que los investigadores han propuesto en los últimos años.

"La naturaleza de la materia oscura sigue siendo un misterio, "Dice Fialkov." La materia oscura difusa está motivada por la física fundamental, por ejemplo, teoria de las cuerdas, y por tanto es un interesante candidato a materia oscura. Las estructuras cósmicas son la clave para validar o descartar estos modelos de materia oscura ".

La materia oscura difusa está formada por partículas que son tan ligeras que actúan de forma cuántica, moda ondulada, en lugar de como partículas individuales. Este cuanto naturaleza borrosa, Mocz dice:podría haber producido galaxias tempranas que se ven completamente diferentes de lo que predicen los modelos estándar para la materia oscura fría.

"Aunque en el universo tardío estos diferentes escenarios de materia oscura pueden predecir formas similares para las galaxias, las primeras galaxias serían sorprendentemente diferentes, que nos dará una pista sobre qué es la materia oscura, "Dice Mocz.

Para ver cuán diferente podría ser un universo temprano frío y borroso, los investigadores simularon un pequeño espacio cúbico del universo temprano, midiendo unos 3 millones de años luz de ancho, y lo ejecuté a tiempo para ver cómo se formarían las galaxias en uno de los tres escenarios de materia oscura:frío, cálido, y borroso.

El equipo comenzó cada simulación asumiendo una cierta distribución de materia oscura, de los que los científicos tienen alguna idea, basado en mediciones del fondo cósmico de microondas - "radiación reliquia" que fue emitida por, y se detectaron solo 400, 000 años después, el Big Bang.

"La materia oscura no tiene una densidad constante, incluso en estos primeros tiempos, ", Dice Vogelsberger." Hay pequeñas perturbaciones en la parte superior de un campo de densidad constante ".

Los investigadores pudieron utilizar algoritmos existentes para simular la formación de galaxias en escenarios de materia oscura fría y cálida. Pero para simular materia oscura difusa, con su naturaleza cuántica, necesitaban un nuevo enfoque.

Un mapa de cuerdas de arpa

Los investigadores modificaron su simulación de materia oscura fría, permitiéndole resolver dos ecuaciones adicionales para simular la formación de galaxias en un universo difuso de materia oscura. El primero, Ecuación de Schrödinger, describe cómo una partícula cuántica actúa como una onda, mientras que el segundo, Ecuación de Poisson, describe cómo esa onda genera un campo de densidad, o distribución de materia oscura, y cómo esa distribución conduce a la gravedad, la fuerza que finalmente atrae la materia para formar galaxias. Luego acoplaron esta simulación a un modelo que describe el comportamiento del gas en el universo, y la forma en que se condensa en galaxias en respuesta a los efectos gravitacionales.

En los tres escenarios, las galaxias se formaron dondequiera que hubiera sobredensidades, o grandes concentraciones de materia oscura colapsada gravitacionalmente. El patrón de esta materia oscura sin embargo, fue diferente, dependiendo de si hacía frío, cálido, o borroso.

En un escenario de materia oscura fría, galaxias formadas en halos esféricos, así como subhalos más pequeños. La materia oscura cálida produjo las primeras galaxias en filamentos en forma de cola, y sin subhalos. Esto puede deberse a que la materia oscura cálida es más clara, naturaleza más rápida, haciendo que las partículas sean menos propensas a quedarse en pequeñas, grupos de subhalo.

Similar a la materia oscura cálida, la materia oscura difusa formaba estrellas a lo largo de filamentos. Pero luego los efectos de ondas cuánticas tomaron el relevo para dar forma a las galaxias, que formaron filamentos más estriados, como cuerdas de un arpa invisible. Vogelsberger dice que este patrón estriado se debe a interferencias, un efecto que ocurre cuando dos ondas se superponen. Cuando esto ocurre, por ejemplo en ondas de luz, los puntos donde las crestas y valles de cada onda se alinean forman puntos más oscuros, creando un patrón alterno de regiones brillantes y oscuras.

En el caso de materia oscura difusa, en lugar de puntos brillantes y oscuros, genera un patrón alterno de concentraciones de materia oscura sobredensas y subdensas.

"Obtendría mucha atracción gravitacional en estas densidades excesivas, y el gas seguiría, y en algún momento formaría galaxias a lo largo de esas densidades excesivas, y no las subdensidades, "Explica Vogelsberger." Esta imagen se reproduciría en todo el universo primitivo ".

El equipo está desarrollando predicciones más detalladas de cómo podrían haber sido las primeras galaxias en un universo dominado por materia oscura difusa. Su objetivo es proporcionar un mapa para los próximos telescopios, como el telescopio espacial James Webb, que puede mirar hacia atrás en el tiempo lo suficiente como para detectar las primeras galaxias. Si ven galaxias filamentosas como las simuladas por Mocz, Fialkov, Vogelsberger, y sus colegas, podrían ser los primeros signos de que la naturaleza de la materia oscura es borrosa.

"Es esta prueba de observación que podemos proporcionar para la naturaleza de la materia oscura, basado en observaciones del universo temprano, que será factible en los próximos años, "Dice Vogelsberger.