Un equipo de investigación dirigido por la Universidad de Ginebra (UNIGE) quiso saber si, a escala cosmológica, esta materia "caÃa" de la misma manera que la materia ordinaria o si intervenÃan otras fuerzas. Sus resultados, publicados en Nature Communications, sugieren un comportamiento similar, dejando abierta la posibilidad de una interacción aún desconocida. Este avance arroja un poco más de luz sobre las propiedades de esta materia esquiva, cinco veces más abundante que la materia ordinaria.
La materia ordinaria obedece a cuatro fuerzas bien conocidas: la gravitación, el electromagnetismo, la fuerza fuerte y la fuerza débil, estas dos últimas actuando a escala atómica. ¿Pero qué pasa con la materia oscura? Invisible y escurridiza, podrÃa estar sujeta a las mismas leyes o depender de una quinta fuerza, aún desconocida.
Para desentrañar este misterio, un equipo dirigido por la UNIGE se preguntó si, a escala del cosmos, esta materia "caÃa" de la misma manera que la materia ordinaria en los pozos gravitacionales. Bajo la influencia de la gravedad de los cuerpos celestes, el espacio ocupado por nuestro Universo se deforma, generando "pozos". La materia ordinaria —aquà planetas, estrellas o galaxias— cae en ellos según leyes fÃsicas bien conocidas, como la famosa teorÃa de la relatividad general de Einstein o las ecuaciones de Euler. ¿Pero y la materia oscura?
"Para responder a esta pregunta, comparamos las velocidades a las que se mueven las galaxias en el Universo con la profundidad de los pozos gravitacionales", explica Camille Bonvin, profesora asociada del Departamento de FÃsica Teórica de la Facultad de Ciencias de la UNIGE, coautora del estudio.
"Si la materia oscura no está sujeta a una quinta fuerza, entonces las galaxias —que están hechas mayoritariamente de materia oscura— caerán en los pozos como materia ordinaria, sometida únicamente a la gravitación. Por el contrario, si existe una quinta fuerza que actúa sobre la materia oscura, esta influirá en el movimiento de las galaxias, que, en consecuencia, caerán en los pozos de manera diferente. Comparando la profundidad de los pozos con la velocidad de las galaxias, podemos entonces probar la presencia de tal fuerza".
Mapa de la distribución de las galaxias observadas por la colaboración DESI, a partir del cual es posible medir con precisión las velocidades de las galaxias.
Crédito: Claire Lamman/DESI collaboration; custom colormap package by cmastro.
Las ecuaciones de Euler aún válidas
Al aplicar este enfoque a los datos cosmológicos actuales, el equipo de investigación llegó a la conclusión de que la materia oscura cae en los pozos gravitacionales de la misma manera que la materia ordinaria. Y que, por lo tanto, responde a las ecuaciones de Euler.
"En esta etapa, estas conclusiones no nos permiten, sin embargo, descartar la presencia de una fuerza desconocida. Pero si esta quinta fuerza existe, no puede ser mayor del 7 % de la fuerza de la gravitación, en cuyo caso habrÃa aparecido en nuestros análisis", indica Nastassia Grimm, primera autora del estudio y antigua investigadora posdoctoral del Departamento de FÃsica Teórica de la Facultad de Ciencias de la UNIGE, que recientemente se incorporó al Instituto de CosmologÃa y Gravitación de la Universidad de Portsmouth.
Estos primeros resultados marcan un avance importante en la caracterización de la misteriosa materia oscura. El próximo paso consistirá en precisar la existencia, o no, de una quinta fuerza que la rija.
"Los futuros datos procedentes de los experimentos más recientes, como LSST y DESI, serán sensibles a una fuerza tan pequeña como el 2 % de la gravitación. Por lo tanto, deberÃan permitirnos aprender aún más sobre el comportamiento de la materia oscura", concluye Isaac Tutusaus, investigador del ICE-CSIC y del IEEC, profesor asociado del IRAP, Observatorio Midi-Pyrénées, Universidad de Toulouse, coautor del estudio.