Un nuevo mapa de la materia oscura vuelve a dar la razón a Einstein

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La humanidad lleva milenios imaginando los orígenes y evolución del universo, pero las explicaciones científicas llegaron con la cosmología moderna. Esta se remonta a principios del siglo XX con la teoría de la relatividad general de Albert Einstein, quien plantea que la gravedad está íntimamente vinculada al espacio y al tiempo.

Ahora, los investigadores del Telescopio de Cosmología de Atacama (ACT) han creado una nueva y revolucionaria imagen que revela el mapa más detallado de la materia oscura. Se extiende hasta las profundidades del cosmos y, una vez más, se vuelve a confirmar la teoría de Einstein.

“Este mapa cubre una cuarta parte del cielo, y la masa que se muestra incluye tanto la de la materia oscura como la ordinaria”, explica a SINC Mathew Madhavacheril, miembro del equipo ACT y profesor de la Universidad de Pensilvania (EE UU), “aunque como la materia oscura constituye el 85 % de la materia del universo, se puede considerar un mapa de materia oscura”.

“Anteriormente, el satélite Planck había elaborado mapas sobre el 65 % del cielo. Sin embargo –subraya–, el nuestro tiene mayor resolución y un ruido mucho menor. Por tanto, según algunas definiciones, este se podría considerar el mayor mapa con gran detalle de la materia oscura”.

Los resultados del estudio, presentados esta semana en una conferencia en la Universidad de Kioto (Japón) y en el Astrophysical Journal, confirman la teoría de Einstein sobre cómo las estructuras masivas crecen y curvan la luz, a lo largo de los 14.000 millones de años de vida del universo.

“Hemos cartografiado la materia oscura invisible a través del cielo hasta las mayores distancias, y vemos claramente rasgos de este mundo invisible que abarcan cientos de millones de años luz”, afirma Blake Sherwin, catedrático de Cosmología de la Universidad de Cambridge (Reino Unido), donde dirige un grupo de investigadores del ACT, e insiste: “Tiene el mismo aspecto que predicen nuestras teorías”.

A pesar de constituir la mayor parte de la materia del universo e influir en su evolución, la materia oscura ha sido difícil de detectar porque no interactúa con la luz ni con otras formas de radiación electromagnética. Por lo que sabemos, solo interactúa con la gravedad.

Para localizarla, los más de 160 colaboradores que han construido y recopilado datos del Telescopio Cosmológico de Atacama de la Fundación Nacional de la Ciencias de EE UU, localizado en las alturas de los Andes chilenos, observan la luz que emana tras los albores de la formación del universo, el Big Bang, cuando solo tenía 380.000 años. Esta luz difusa que llena todo nuestro universo, a veces denominada de forma informal como la "foto de bebé del universo", es la radiación de fondo de microondas (CMB).

El equipo ha rastreado cómo la atracción gravitatoria de estructuras grandes y pesadas, incluida la materia oscura, deforma la CMB en su viaje de 14.000 millones de años hasta nosotros, como una lupa curva la luz al pasar por su lente.

“Es un poco como dibujar una silueta, pero en lugar de tener solo negro, tiene textura y bultos de materia oscura, como si la luz fluyera a través de una cortina de tela con muchos nudos y protuberancias”, explica Suzanne Staggs, directora del ACT y catedrática de Física de la Universidad de Princeton (EE UU). 

La investigadora cuenta que la famosa imagen azul y amarilla del CMB es una instantánea de cómo era el universo en una sola época, hace unos 13.000 millones de años, “y ahora esto nos da información de todas las épocas desde entonces”.

“El nuevo mapa de masas lo hemos creado a partir de las distorsiones de la luz que dejó el Big Bang”, añade Madhavacheril, “y sorprendentemente, proporciona mediciones que demuestran que tanto el 'abultamiento' del universo, como el ritmo al que está creciendo tras 14.000 millones de años de evolución, son justo lo que cabría esperar de nuestro modelo estándar de cosmología (basado en la teoría de la gravedad de Einstein)”.

Nuevos datos para el debate cosmológico

Por su parte, Sherwin destaca otra aportación de los resultados: “Ofrecen nuevas perspectivas a un debate en curso que algunos han denominado la crisis de la cosmología”, asociada a mediciones recientes que utilizan como luz de fondo la emitida por estrellas de las galaxias, no la CMB”.

Esta discrepancia se refleja en la llamada constante de Hubble. El valor de este parámetro del modelo estándar derivado de observaciones del universo más temprano, como las del CMB, no coincide con el que se obtiene midiendo distancias y velocidades, por ejemplo, con las estrellas cefeidas.

Según estas últimas mediciones, la materia oscura no sería lo suficientemente grumosa, lo que ha suscitado la preocupación de que el modelo pudiera tener alguna fisura. Sin embargo, los resultados del equipo del ACT han evaluado con precisión que los enormes grumos que se ven en la imagen mostrada tienen el tamaño exacto.

Madhavacheril comenta dos aspectos relevantes: “Por una parte, hacemos una medición de la constante de Hubble utilizando una 'regla' propuesta relativamente nueva, que es el tamaño típico de los grumos de materia. Nuestra medida concuerda con la predicción CMB del universo temprano, y es baja en relación con las estrellas cefeidas”.

“Y por otra, también medimos el tamaño de la 'grumosidad' del universo, el denominado parámetro S8. Y una vez más, nuestra medición coincide con la predicción CMB del universo temprano, mientras los sondeos de galaxias ofrecen un valor de S8 que suele ser algo inferior. Por tanto, nuestras mediciones son muy coherentes con la gravedad de Einstein”.

“Los datos de las lentes de la CMB rivalizan con los sondeos más convencionales de la luz visible de las galaxias en su capacidad para rastrear la suma de lo que hay ahí fuera”, afirma Staggs, quien destaca que “juntos, la lente CMB y los mejores sondeos ópticos, están aclarando la evolución de toda la masa del universo”.

Respecto a si podrían obtener un mapa de materia oscura de más zonas del cielo, Staggs comenta: “en principio el ACT puede hacer un mapa ligeramente más grande, pero no cartografiará los otros ¾ del cielo, porque es un instrumento terrestre, con acceso solo a la mitad del cielo en el mejor de los casos”. 

El ACT, que funcionó durante 15 años, fue retirado del servicio en septiembre de 2022, pero se espera que pronto se presenten más trabajos con el conjunto final de observaciones. El Observatorio Simons realizará otras nuevas en el mismo lugar gracias a un nuevo telescopio que está previsto que comience a funcionar en 2024. Este nuevo instrumento será capaz de cartografiar el cielo casi 10 veces más rápido que el ACT.